Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Чемоданова Светлана Николаевна

СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ БЕТОНОВ

Специальность 05.23.05 ЦСтроительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж Ч 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Славчева Галина Станиславовна

Официальные оппоненты: Корнеев Александр Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, Липецкий государственный технический университет, кафедра строительных материалов, заведующий кафедрой Кукина Ольга Борисовна, кандидат технических наук, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра физики и химии, доцент

Ведущая организация: ОАО Конструкторское технологическое бюро бетона и железобетона ( г. Москва)

Защита диссертации состоится 27 апреля 2012 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительный университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, аудитория 3220, тел. (факс): (473) 271-59-05.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 23 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Власов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Сегодня в строительной практике все большее распространение получают высококачественные бетоны нового поколения, обладающие высокой (60-80 МПа) и сверхвысокой прочностью (выше 80 МПа), низкой проницаемостью, повышенной морозостойкостью. Принципиальные достижения в уровне их качества связаны с комплексным модифицированием их структуры микро- и нанодисперсными органоминеральными добавками (как правило, на основе аморфного кремнезема и пластификаторов). И это обеспечивает создание высокоплотной, микропористой, высокодисперсной структуры, которая одновременно закономерно характеризуется высоким запасом внутренней энергии. Вследствие этого при эксплуатационных воздействиях мера изменения, реализация конструкционных свойств высокопрочных модифицированных бетонов, определяемая энергетикой их твердой фазы и порового пространства, может характеризоваться определенными отличительными особенностями. Системных, комплексных знаний по проблеме изменения состояния и свойств бетонов нового поколения под воздействием эксплуатационных процессов пока еще не получено, поэтому данные бетоны выделяются в работе в качестве объекта исследования.

Влажностные деформации для цементных бетонов всегда считались одним из критических факторов для их надежности и долговечности. Накопленный к настоящему времени опыт возведения и эксплуатации зданий из высокопрочных модифицированных бетонов выявил, что проблема трещинообразования от развития влажностных деформаций в конструкциях с их применением не только не снимается, но является еще более острой и актуальной. Поэтому экспериментальное изучение факторов, определяющих величину влажностных деформаций высокопрочных бетонов нового поколения, и разработка на этой основе технологических приемов управления ее показателями имеет важное практическое значение и принимается в данной работе в качестве предмета исследования.

Целью диссертационной работы является минимизация влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов на основе регулирования их состава и структуры.

Задачи исследования.

1. Теоретически обосновать систему параметров состава и структуры высокопрочных модифицированных бетонов, которые являются критериальными для развития процессов влагообмена и деформирования.

2. Экспериментально установить зависимость кинетики и показателей эксплуатационного влагообмена модифицированных бетонов с параметрами их состава и структуры.

3. Экспериментально установить количественную взаимосвязь величины влажностных деформаций модифицированных бетонов с параметрами их состава и структуры.

4. Обосновать рекомендации по составам высокопрочных модифицированных бетонов по критерию минимальной деформативности.

5. Разработать предложения по учету особенностей деформирования высокопрочных модифицированных бетонов при расчете строительных конструкций.

Научная новизна работы:

- для высокопрочных модифицированных бетонов теоретически обоснован перечень и впервые экспериментально установлен граничный диапазон параметров структуры, критериальных для регулирования баланса сил при увлажнении-обезвоживании и деформировании - удельной площади поверхности твердой фазы, ее энергетических характеристик, объема и структуры пористости;

- на основе комплексной идентификации строения впервые показано, что для высокопрочных модифицированных бетонов в применяемом на практике диапазоне их составов обеспечивается формирование 4 групп структур, для которых значения размерно-геометрических и энергетических характеристик твердой фазы и порового пространства отличаются в 2-4 раза;

- показано, что трансформация строения модифицированных бетонов в рамках выделенных в работе его структурных групп оказывается фактором регулирования силы взаимодействия материала с водой, что позволяет изменять показатели процессов влагообмена и деформирования в 3-4 раза;

- получены количественные зависимости взаимосвязи величины деформаций высокопрочных модифицированных бетонов с характеристиками их твердой фазы и порового пространства;

- научно обоснованы оптимальные с точки зрения минимизации влажностных деформаций параметры структуры высокопрочных модифицированных бетонов, обоснованы ограничения по их составам, обеспечивающие формирование оптимальных структур.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований РААСН по приоритетному направлению Развитие строительного материаловедения, технологии и нанотехнологии.

Новые высокопрочные, сверхпрочные, легкие, сверхлегкие и долговечные строительные композиционные материалы (2007-2009 г.г.); планового задания Федерального агентства по образованию Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения (2008 - 2011 г.г.) Достоверность полученных результатов обеспечена методически обоснованными комплексными количественными исследованиями состава, структуры и свойств модифицированного бетона с использованием современных средств измерения; применением вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов. Оценка адекватности разработанной методики стандартным условиям испытаний осуществлялась путем сопоставления с результатами стандартных измерений.

Практическое значение работы заключается в разработке: рекомендаций по составам высокопрочных бетонов с минимальной эксплуатационной деформируемостью; предложений по значениям коэффициентов линейных влажностных деформаций; методики оценки деформаций бетона в условиях, моделирующих влажностные режимы эксплуатации.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при разработке рекомендаций по составам модифицированных бетонов классов В65, В70,В75, В80 для ООО Коттедж-Строй (396657, г. Россошь, Воронежской обл. ул. Промышленная, 17) и ООО АвтоБетонСтрой 24 (г. Воронеж 394084, г. Воронеж, ул. Чебышева, 30); подготовке инженеров по специальности 270106 Производство строительных материалов, изделий и конструкций и магистров по направлению 270100 Строительство в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре (Липецк, 2007 г.); XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.); научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (Воронеж, 2007-2011 г.г.).

Автор защищает.

- разработанную систему представлений и новые научные данные о структурных факторах управления процессами влагообмена и эксплуатационной деформируемостью высокопрочных модифицированных бетонов;

- методику исследований процессов деформирования материала в условиях, учитывающих характеристики эксплуатационной среды;

- результаты экспериментальных исследований закономерностей процессов влагообмена и развития деформаций высокопрочных модифицированных бетонов;

- систему экспериментальных данных о взаимосвязи деформативных характеристик модифицированных бетонов с их составом и структурой;

- практические предложения по условиям получения высокопрочных модифицированных бетонов с пониженной эксплуатационной деформируемостью и учету их деформативных характеристик при расчете конструкций.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований представлены в 7 статьях общим объёмом 41 стр. (из них лично автору принадлежат 24 стр.). Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, который включает 130 наименований и содержит 202 страницы, в том числе 130 страниц машинописного текста, 30 таблиц, 46 рисунков и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. Разработка концепции управления влажностными деформациями высокопрочных модифицированных бетонов.

Обеспечение достигнутого к настоящему времени высокого уровня качества бетонов нового поколения является результатом комплексного регулирования их строения путем включения в действие практически всех известных на сегодня приемов формирования структуры, обоснованных в работах И.Н. Ахвердова, А.А. Байкова, В. Г. Батракова, О.Я. Берга, А.Е. Десова, П.А. Ребиндера, С.С. Каприелова, З.И. Ларионовой, Н.А. Мощанского, Л.В. Никитиной, Б. Г.

Скрамтаева, Е.Е. Сегаловой, А.Е. Шейкина, С.В. Шестоперова, Л.Г. Шпыновой и др. При этом реализуются не только традиционная оптимизация структуры на макро-, мезо- и микроуровне (создание плотных упаковок в системе сложения крупного и мелкого заполнителя, повышение плотности (снижение пористости) цементного камня, применение эффективных химических добавок), но, преимущественно, приемы совершенствования структуры на наноуровне. Именно таким приемам принадлежит приоритетная роль в формировании свойств высокопрочных модифицированных бетонов. Регулирование структуры и химикоминералогического состава новообразований, создание плотных упаковок в системе новообразования - ультрамикронаполнитель технологически осуществляется применением комплексных модификаторов на основе микрокремнезема и пластификаторов. В результате структура высокопрочных модифицированных бетонов характеризуется повышенным количественным содержанием наноструктурных составляющих, увеличением доли пор предельно малого размера по сравнению с классическими традиционными бетонами. И это может предопределять отличия эксплуатационного поведения бетонов нового поколения.

При формулировке проблемы исследований и рассмотрении в ее контексте комплекса деструктивных процессов в бетоне при эксплуатации, влажностные деформации среди составляющих эксплуатационных деформаций выделены в качестве одной из главных причиной трещинообразования, накопления повреждений в строительных конструкциях.

Согласно представлениям, сформулированным в работах Александровского С.В., Гвоздева А.А., Десова А.Е., Красильникова К.Г., И.Е.Прокоповича, З.Н. Цилосани, Чернышова Е.М., Шейкина А.Е. и др., закономерности развития влажностных деформаций бетонов определяются балансом сил связи воды с твердой фазой и поровым пространством, который может складываться в структуре материала при изменении его влагосодержания. К составляющим баланса сил традиционно относят: капиллярные силы и силы поверхностного натяжения, силы когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц, силы внутренних связей в кристаллогидратах (табл. 1).

Анализ типовой кривой усадки цементного камня (по А.Е. Шейкину) позволил заключить, что особенности структуры высокопрочных модифицированных бетонов предопределяет усиление действия капиллярных сил на этапе удаления капиллярно-конденсированной воды из пор размером 20 нм < r мкм, которые и преобладают в структуре данных бетонов. Вклад сил поверхностного натяжения, когезионного - адгезионного и межмолекулярного взаимодействия в контактах частиц при удалении адсорбционно-связанной и межслоевой воды в модифицированных бетонах также может значительно возрасти вследствие увеличения удельной площади поверхности и энергетического потенциала твердой фазы.

Таблица Система структурных факторов управления влажностными деформациями бетона Характеристики Масштабный уровень структуры связи водя со микро мезо макро структурой Вид воды межслоевая, адсорбцион- капилляно- капил- свободная молекулярная ная конденси- лярнорованная насыщенная Составляющие силы когезион- расклиниваю- капиллярные силы, си- - баланса сил свя- но- щее давление лы поверхностного нази твердой фазы адгезионного адсорбцион- тяжения воды и пор с водой взаимодейст- ных пленок, вия, межмоле- межмолекукулярные силы лярные силы Энергия связи 20-80 40-80 0,5-40 0,05-0,5 - воды со структурой, кДж/моль Размер пор, м 10-7Ц10-r 10-10 10-5Ц10-7 10-4Ц10-5 10-3Ц10-Параметры со- состав новообразований, распре- соотношение объемов соотношение става и структу- деление по размерам частиц но- зерен микронаполните- объемов церы, определяю- вообразований ля, остаточных зерен ментного камщие изменение цемента и частиц ново- ня, зерен заудельная поверхность, баланса внут- удельная поверхностная энер- образований, распреде- полнителя, ренних сил ление по размерам зерен распределение гия новообразований, микронаполнителя, сма- по размерам объем и распределение по размерам пор кристалличе- чиваемость поверхности зерен заполнителя, объем ского сростка удельная поверхность макропор новообразований, объем и распределение по размерам капиллярных пор На основании этого в качестве критериальных параметров структуры, определяющих баланс внутренних сил при изменении влагосодержания и деформировании высокопрочных модифицированных бетонов, в работе выделяются удельная площадь поверхности и поверхностная энергия твердой фазы, объем и распределение по размерам пор.

Цементный камень является носителем всех видов деформаций, но одновременно его структура определяет способность материала сопротивляться их развитию. На основании этого в работе приоритет в регулировании величины влажностных деформаций модифицированных бетонов отдается формированию состава и структуры микробетона: объемного соотношения, размеров элементов твердой фазы и пор в его структуре, химико-минералогического состава новообразований цементирующего вещества.

Решение задачи минимизации влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов связывается с реализацией обозначенных подходов. В работе это осуществляется путем получения оптимальных параметров состава и структуры в рамках совокупности и диапазона рецептурнотехнологических факторов, реализуемых в настоящее время на практике при изготовлении данных бетонов: дозировки цемента и комплексного модификатора серии МБ, В/Т-отношения, вида, гранулометрии, объемной доли заполнителя.

Методика исследований. Согласно изложенной концепции управления деформативными свойствами эксперименты проводили поэтапно на цементном бетоне, бетонах на мелком и крупном заполнителе. Их составы по расходам связующего, мелкого и крупного заполнителя соответствовали рекомендациям специалистов НИИЖБ (В.Г. Батракова, С.С. Каприелова, А.В.Шейнфельда и др.) (табл. 2). В исследуемых сериях цементного микробетона и бетона за счет изменения дозировки модификатора и В/Т-отношения обеспечивалось значительное отличие параметров структуры, определяющих энергетику твердой фазы и порового пространства и, соответственно, критериальных для баланса внутренних сил при изменении влагосодержания и деформировании.

Таблица Характеристика составов микробетона и высокопрочных модифицированных бетонов на мелком и крупном заполнителе Исследуемые Рецептурно-технологические факторы и границы их варьирования системы Характеристики Содержание В/(Ц+МБ- Расход компонентов, кг/мсмеси МБ-01, % 01) МБ- цемент песок крупный от массы 01 (Мк = заполнитель цемента 1,6) Цементный Консистенция 0,21-0,4 0- 1530- - - микробетон цементного тес- 460 16та соответству0,5,8,12,15, ет НГЦТ, рас22,плыву по Суттарду 9,13,18 см Бетон на Подвижность 0,33-0,35 0- 550- 1380 - мелком по показателю 165 6заполнителе осадки конуса 0,12,22,16-24 см Бетон на 0,32-0,34 0- 550- 580 11крупном 165 6заполнителе При проведении экспериментальных исследований применялись сырьевые материалы, отвечающие действующим нормативным документам: цемент портландский ЦЕМ I 42.5; в качестве органо-минерального модификатора использовалась добавка МБ-01, органическая часть которого представлена суперпластификатором С-3, а минеральная - микрокремнеземом аморфной модификации с размером частиц не более 0,14 мкм; песок кварцевый, Мк=1,6; щебень гранитный фракции 5-20 см.

При изучении процессов увлажнения-высыхания и деформирования использовалась авторская методика, реализация которой позволила моделировать влажностные режимы, в которых может оказаться высокопрочный модифицированный бетон при эксплуатации. С этой целью в гигростатах в изотермических условиях (20 5) 0С создавали модельные среды с относительной влажностью 20, 32, 55, 75, 99 %, полученной согласно ГОСТ 28237-89(МЭК 260-68) Камеры неинженерного типа для получения постоянной относительной влажности. При этом обеспечивался квазистатический режим высыхания, когда вследствие принятой малой толщины образцов материала (8-10 мм) достигается минимум градиента влагосодержания по их сечению. Контроль за изменением массы и длины образцов (размером 1040160 мм) производили непосредственно после распалубки, в сроки 1, 3, 7, 14, 28 суток с момента распалубки и далее через каждые 14 суток. Образцы цементного камня и бетона на мелком заполнителе формовались заданного размера, а образцы бетона на крупном заполнителе получали путем распиловки предварительно отформованного массива размером 4070340 мм. Выдерживание в гигростатах велось до стабилизации их массы и линейных размеров, после чего образцы дополнительно обезвоживались в среде с W0 % (над безводным хлоридом кальция); окончательное обезвоживание достигалось высушиванием при (1055) 0С. При этом оценивалась полная величина деформаций набухания-усадки, определялись удельные деформации материала в расчете на массовый процент испаренной воды соответствующего вида, а также осредненное значение удельной усадки материала при удалении всей массы воды без учета ее видов. Процессы взаимодействия материала с водой изучались по стандартной методике оценки показателей капиллярного насыщения и водопоглощения. Параллельно для всех серий образцов микробетона и бетона контролировались прочностные характеристики по ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

Реализация комплекса структурных исследований позволила качественно и количественно оценить критериальные для влагообмена и деформирования характеристики структуры микробетона. Исследование химикоминералогического состава цементирующего вещества, степени гидратации цемента проводилось с помощью рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии, растровой электронной микроскопии. Удельная площадь поверхности твердой фазы оценивалась двумя независимыми методами: по методу Пауэрса (по емкости монослоя адсорбированных молекул воды при парциальном давлении водяного пара p/ро = 0,2), а так же с помощью четырехточечного метода БЭТ (по адсорбции азота на приборе SoftSorbi-II). Значение общего объема пор, а так же объема пор с r < 20 нм в расчете на единицу массы и единицу объема материала так же были получены с помощью четырехточечного метода БЭТ.

Комплексная идентификация структуры бетонов. Установлено, что в результате модифицирования формируется высокодисперсная, предельно плотная микрогетерогенная структура цементирующего вещества бетонов, принципиально отличающаяся от традиционной немодифицированной по количественным и качественным характеристикам, а именно:

1) объемному соотношению элементов твердой фазы и пор, структуре пористости: общий объем пор сокращается в 1,5 раза, при этом доля пор с радиусом менее 20 нм повышается в 2-2,5 раза, вследствие предельно малого объема порового пространства степень гидратации цемента в модифицированных системах может снизиться до 54 %;

2) химико-минералогическому составу новообразований и, соответственно, размерно-геометрическим характеристикам твердой фазы: в структуре преобладают гидросиликаты кальция типа CSH (I) преимущественно скрытокристаллической формы с размером глобуловидных частиц 100Ц300 нм, формирующиеся в результате взаимодействия микрокремнезема с Са(ОН)2, содержание последнего оказывается в 2,5 раза меньше, чем в немодифицированном микробетоне;

3) энергетическим характеристикам: величина удельной поверхностной энергии твердой фазы возрастает почти в 2 раза по сравнению с немодифицированными образцами.

Систематизация и обобщение всего комплекса экспериментальной информации о структурных изменениях в бетоне при модифицировании позволяет утверждать, что взаимное влияние факторов варьирования В/Т-отношения и дозировки модификатора приводит к синергетическому эффекту изменения качественных и количественных характеристик структуры. Анализ и идентификация структур модифицированных бетонов в рамках всего практически реализуемого на сегодня диапазона варьирования рецептурнотехнологических факторов выделить четыре характерные для них структурные группы цементного камня (табл. 3).

Таблица Параметры состава и структуры цементного микробетона Характеристика состава и параметры Обозначение структурной группы структуры модифицированного цеСГ1 СГ2 СГ3 СГментного микробетона В/Т-отношение 0,34-0,40 0,25-0,34 0,25-0,28 0,21-0,Содержание МБ-01, % от массы цемента 0-8 0-15 12-15 22-Плотность цементного камня, кг/м3 1685-1760 1800-1890 1900-1940 1970-20Объем твердой фазы, м3/м3 0,67-0,7 0,71-0,75 0,73-0,76 0,75-0,Общий объем пор, м3/м3 0,3-0,33 0,25-0,29 0,24-0,27 0,21-0,Содержание пор радиусом rэ < 20 нм 24 26 31 rэ, % от общего объема пор rэ >20 нм 76 74 69 Удельная площадь поверхности, 33-82 67-127 66-96 34-м2/г по адсорбции водяного пара Теплота смачивания, кДж/кг 14-19 12-25 26-27 30-Первую группу структур микробетона можно характеризовать как близкую к традиционным немодифицированным системам, что характерно для составов с низким содержанием модификатора (0-8 % от массы цемента) и высокими В/Т-отношениями. Структура при этом отличается наименьшей плотностью ( = 1685-1760 кг/м3) и наибольшей пористостью, представленной преимущественно порами с радиусом более 20 нм; величина удельной поверхности и поверхностной энергии твердой фазы характеризуется наименьшими среди всех выделенных структурных групп показателями.

Для модифицированных структур 2-4 групп характерно снижение пористости и повышение поверхностной энергии твердой фазы по отношению к немодифицированныи системам. При этом наибольшая плотность ( = 1970-20кг/м3), минимальные значения удельной площади поверхности, объема пор, наибольшее содержание нанопор с rэ < 20 нм достигаются для микробетона структурной модификации, что прямо соотносится с количественным содержанием модификатора МБ-01 и обеспечивается при его дозировке в диапазоне 2230% от массы цемента при одновременной минимизации В/Т-отношения.

Именно такая трансформация структурных характеристик связующего определяет изменение энергетического потенциала поверхности твердой фазы и порового пространства и может повлиять на баланс сил связи твердой и жидкой фазы в материале и, соответственно, на интенсивность процессов влагообмена, величину влажностных деформаций. Поэтому при реализации экспериментов для бетонов на мелком и крупном заполнителе использовались составы матриц, характерные для рассмотренных групп микробетона. Характеристика критериальных для влагообмена и деформирования параметров структуры цементирующего вещества в рассмотренных бетонах отвечает их значениям для первой, второй и четвертой структурных групп микробетона. При постоянном содержании вяжущего (табл. 2) объемы цементирующего вещества Vцв и пор Vпор в структуре бетонов изменялись за счет изменения состава цементного камня и составляли: в сериях высокопрочного модифицированного бетона на мелком заполнителе Vцв = 0,29-0,33 м3/м3, Vпор = 0,10-0,14 м3/м3; в сериях бетона на крупном заполнителе Vцв =0,23-0,28 м3/м3, Vпор = 0,08-0,13 м3/м3.

Экспериментальные исследования закономерностей процессов влагообмена высокопрочных модифицированных бетонов.

Результативность модифицирования структуры при варьировании дозировки модификатора и В/Т характеризуется возможностью изменения величины показателей влагообмена в 2-4 раза (рис. 1, табл. 4).

В рамках выделенных структурных модификаций цементного камня минимальная скорость и значения показателей влагообмена наблюдается у образцов 4 структурной группы. И это закономерно определяется наибольшей силой связи с водой данной модификации микробетона, в структуре которого содержится значительное количество ультрадисперсного микрокремнезема, в составе новообразований преобладают слабозакристаллизованные гидраты типа CSH(I), а структура пористости характеризуется преимущественным содержанием пор с размером менее 20 нм.

1,1,СГСГ0,0,СГ0,СГСГ0,СГ0 0,5 1 1,5 2 2,5 6 Продолжительность капиллярного СГнасыщения, сут СГСГСГСГСГ0 0,2 0,4 0,6 0,8 Парциальное давление водяного 0 1 2 3 4 5 6 пара, р/р0 Продолжительность водонасыщения, сут Рис. 1 - Изотермы адсорбции и кинетика капиллярного насыщения и водонасыщения цементного микробетона Таблица Показатели влагообмена микробетона и бетона Иссле- Дозиров- № Эксплуата- Потеря массы Величина Величина дуемые ка МБ-01, струк- ционная ве- при высыхании капилляр- водонасысистемы % от мас- турной личина ад- в эксплуатаци- ного на- щения, % сы цемен- группы сорбции, % онных услови- сыщения, по массе та по массе ях, % по массе г/смМикро- 0-8 СГ1 4,100,49 8,000,96 1,2700,15 20,52,бетон 5-15 СГ2 3,620,43 1,230,15 0,9200,11 15,41,12-15 СГ3 4,650,56 2,990,36 0,8400,10 14,21,22-30 СГ4 3,100,37 1,900,23 0,6500,08 12,11,Бетон на 0 СГ1 1,590,19 2,180,26 0,3200,04 3,820,мелком 12 СГ2 2,530,30 1,620,19 0,4690,06 6,090,заполни22 СГ4 1,790,21 1,370,16 0,3170,04 4,650,теле 30 СГ4 2,630,32 1,350,16 0,4400,05 6,380,Бетон на 0 СГ1 0,800,10 1,600,19 0,3440,04 3,950,крупном 12 СГ2 1,030,12 2,080,25 0,4690,06 5,060,заполни22 СГ4 1,330,16 2,060,25 0,5120,06 5,880,теле 30 СГ4 1,320,16 1,500,18 0,5510,07 6,020,насыщения, г/см Величина капиллярного Величина адсорбции, % по массе % по массе Величина водонасыщения, Введение заполнителя имеет различную результативность с точки зрения изменения кинетики и характеристик процессов влагообмена в модифицированных и традиционных немодифицированных бетонах. В немодифицированных бетонах (с 1 структурной группой связующего) величины адсорбции, капиллярного и водонасыщения, главным образом, определяются объемом матричного материала, и уменьшение его содержания в бетонах на мелкоми крупном заполнителе приводит к снижению значений данных величин в 2,5-4 раза по сравнению с цементным микробетоном (табл. 4). В модифицированных бетонах (с 2-4 структурными группами связующего) определяющая роль при взаимодействии с водяным паром и водой принадлежит качественным характеристикам микробетона - энергетическому потенциалу поверхности частиц твердой фазы и порового пространства. Усиление вклада модифицированного, энергетически активного связующего в реакцию материала на влажностные воздействия реализуется в том, что отличие в значениях показателей влагообмена модифицированных микробетона и бетонов на мелком и крупном заполнителе существенно ниже и составляет всего 1,5-2 раза.

В работе показано, что в целях уменьшения интенсивности влагообмена целесообразно обеспечивать при изготовлении модифицированных бетонов формирование 3,4 структурной модификации его связующего, что достигается применением дозировок модификатора МБ-01 15-22 % от массы цемента и значений В/Т=0,21-0,25.

Обобщение всего комплекса экспериментальной информации по исследованию процессов влагообмена позволило выявить количественную взаимосвязь между его показателями и критериальными для баланса сил связи с водой параметрами структуры модифицированных бетонов.

Для процесса адсорбции водяных паров определяющими являются удельная поверхность твердой фазы и содержание нанопор (r < 20 нм) в структуре бетона. Установлено, что в диапазоне значений площади поверхности твердой фазы Sуд = 35-110 м2/г величина адсорбции возрастает почти в 2 раза, а увеличение содержания нанопор в структуре с 0,14 до 0,25 м3/м3 приводит к повышению адсорбционной емкости материала в 2,2 раза. Величина потери массы при высыхании определяется поверхностной энергией твердой фазы, рост которой способствует удерживанию воды в структуре бетона: увеличение теплоты смачивания поверхности в 2 раза обеспечивает снижение величины влагопотерь при обезвоживании почти в 3 раза. Для процессов капиллярного насыщения и водопоглощения критериальными параметрами структуры закономерно являются характеристики пористости. Достигаемое при модифицировании снижение общего объема пор и доли капиллярных пор в структуре пористости материала позволяет в 2 раза снизить величины капиллярного и водонасыщения.

Экспериментальные исследования закономерностей развития влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов.

Трансформация строения микробетона в рамках выделенных в работе его структурных групп, происходящее при модифицировании уменьшение объема пор и среднего радиуса пор, повышение дисперсности частиц, площади поверхности и поверхностной энергии твердой фазы оказывается фактором роста силы взаимодействия материала с водой. В результате значения эксплуатационных влажностных деформаций различных структурных групп микробетона отличаются в 2-4 раза (рис. 2). Принципиально важно, что модифицирование структуры во всем диапазоне составов микробетона, обеспечивающих формирование 2,3,4 его структурных групп, приводит по отношению к немодифицированным системам 1 структурной группы к возрастанию удельных деформаций набухания-усадки в расчете на 3,0 2,1% изменения влагосодержания. И 2,2,2,2,это предопределяет повышенный 1,2,0 уровень усадочных напряжений при 1,1,изменении их влагосодержания. Наи1,большей удельной деформативно1,0,стью характеризуются образцы це0,ментного микробетона 2 структур0,ной группы (рис. 3).

1 2 3 Во всем диапазоне изменения Номер структурной группы влагосодержания и при увлажнении, усадка набухание и при обезвоживании минимальные деформации характерны для микроРис. 2 - Эксплуатационные бетона 4 структурной группы (при влажностные деформации цементного содержании модификатора 22-30 % и микробетона минимальных В/Т-отношениях), что обеспечивается наименьшими для всех полученных модификаций микробетона значениями объема пор и удельной площади поверхности (рис. 4). Наибольшая 1,0 0,0,8 0,0,64 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1 2 3 1 2 3 Номер структурной группы Номер структурной группы удельное набухание, максимально удельная усадка, максимальная для возможное в эксплуатационной среде эксплуатационных условий удельное набухание, соответствующее удельная усадка, характерная для предельной величине поглощения эксплуатационных условий водяных паров Рис. 3 ЦУдельные деформации набухания, усадки цементного микробетона Деформации, мм/м Удельная усадка, (мм/м)/удал. % воды (мм/м)/масс.% воды Удельное набухание, Влажность, % по массе 0 5 10 15 СГСГСГСГСГСГСГСГ0 3 6 9 12 Влажность, % по массе Рис. 4 - Развитие деформаций набухания и усадки цементного микробетона при увлажнении-обезвоживании величина деформаций наблюдается у образцов микробетона 2 структурной группы (содержание модификатора 8-15 % и В/Т=0,25-0,34), что обусловлено высокой энергетической активностью поверхности твердой фазы и порового пространства при одновременном наличии развитой капиллярной пористости.

Обобщение результатов исследований позволило сделать вывод, что параметры структуры связующего, критериальные для регулирования процессов влагообмена, оказываются не менее действенными при управлении влажностными деформациями усадки-набухания модифицированных систем.

В диапазоне влагосодержания, когда развитие деформаций определяется изменением содержания преимущественно адсорбционно-связанной воды, набухание и усадка материала является следствием сил когезионно-адгезионного взаимодействия, межмолекулярных сил и расклинивающего давления адсорбционных пленок, величина деформаций в первую очередь определяется удельной поверхностью и поверхностной энергией твердой фазы. Повышение удельной поверхности от 43,2 до 110 м2/г способствует увеличению значений набухания микробетона в 3,4 раза, а усадки - почти в 2 раза. На том этапе увлажненияобезвоживания, когда в структуре изменяется содержание капиллярносвязанной воды, а развитие деформаций определяется действием капиллярных сил, их величина закономерно главным образом зависит от содержания капиллярных пор. С увеличением объема таких пор в микробетоне от 0,14 до 0,м3/м3 величина набухания возрастает в 2-2,5 раза, а усадки - в 1,5 раза.

Введение включений 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 Деформации набухания, мм/м Деформации усадки, мм/м составляющей, являющейся носителем деформаций; во-вторых, проявляется противоусадочное влияние частиц заполнителя.

Однако результативность действия данного фактора существенно отличается для модифицированных и немодифицированных структур. Известно, что для традиционных бетонов наличие зерен крупного и мелкого заполнителя позволяет снизить величину усадки в 5-6 раз по отношению к микробетону. В работе установлено, что для высокопрочных модифицированных бетонов вклад заполнителей оценивается возможностью снизить значения показателей усадки цементного камня всего в 1,5-2 раза (рис. 5). И это подтверждает выдвинутую в работе гипотезу о приоритетном вкладе составляющих микроуровня структуры модифицированных бетонов нового поколения в процесс их деформирования.

3,5,2,3,2,4,2,1,3,1,1,2,0,83 1,281,0,800,1,0,0,660,1,0,0,0,цементный бетон на бетон на цементный бетон на бетон на камень мелком крупном камень мелком крупном заполнителе заполнителе заполнителе заполнителе немодифицированные структуры (СГ1) структуры с содержанием МБ-01 22% от массы цемента (СГ4) % от массы цемента (СГ4) Рис. 5 - Деформации усадки и набухания микробетона и бетона на мелком и крупном заполнителе В целом деформации набухания-усадки модифицированных бетонов оказываются выше, чем их значения для традиционных бетонов. Однако при формировании структуры связующего с параметрами, соответствующими 4 структурной группе удаются снизить величину деформаций до значений, характерных для традиционных бетонов. Принципиально важно, что установленное увеличение силы связи с водой структуры модифицированных бетонов определяет рост величины удельных влажностных деформаций усадки и набухания в по сравнению с бетонами традиционной структуры (рис. 6). В результате, уровень напряжений в конструкциях может существенно возрасти даже при незначительном изменении эксплуатационного влагосодержания высокопрочных бетонов.

По результатам исследований сделан вывод, что для минимизации деформаций целесообразно обеспечивать при изготовлении модифицированных бетонов формирование 4 структурной модификации его связующего. В тоже время установлено, что для различных составов бетона, обеспечивающих формирование цементного камня данной группы, характерен прирост деформаций Деформации усадки, мм/м Деформации набухания, мм/м 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,28 0,0,0,0,21 0,19 0,0,0,0,0,0,20 0,0,0,0,0,0,0,0 12 22 0 12 22 Содержание МБ-01, % от массы Содержание МБ-01, % от массы цемента цемента бетон на мелком заполнителе бетон на крупном заполнителе Рис. 6 - Удельные деформации высокопрочных модифицированных бетонов в диапазоне содержания модификатора 20-30 % от массы цемента, наиболее явно выраженный для бетона на крупном заполнителе. Такое увеличение деформативности обусловлено повышением вклада в баланс сил при деформировании активных тонкодисперсных компонентов в структуре бетона при указанных дозировках модификатора.

На основании полученных данных для снижения величины деформаций высокопрочных модифицированных бетонов на мелком и крупном заполнителе рекомендуется использовать диапазон значений дозировок модификатора до 15-22 % от массы цемента и значений В/Т = 0,21-0,25.

Прикладные разработки. Для решения задачи минимизации влажностных деформаций в работе обоснованы ограничения по составам высокопрочных модифицированных бетонов классов В65-В80. Данные ограничения предлагаются в рамках составов бетонов данной группы, рекомендованных специалистами НИИЖБ и используемых на практике, и содержат требования к значениям дозировок модификатора серии МБ и В/Т-отношений (табл. 5).

В работе получены данные (табл. 6) о величине удельных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов в расчете на 1 % изменения влажности, которые являются аналогами коэффициентов линейного набухания и усадки . Их величина значительно превышает значения данных коэффициентов, традиционно используемых при расчете конструкций от напряжений, вызванных неравномерным распределением влажности по их сечению. На основании полученных в работе экспериментальных данных для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций из высокопрочных бетонов с учетом изменения их влажности рекомендуются новые значения коэффициентов линейной усадки и набухания (табл. 7).

воды (мм/м)/масс. % воды Удельное набухание, Удельная усадка, (мм/м)/удал. % Таблица Ограничения по составам высокопрочных модифицированных бетонов по критерию минимальной деформативности Требования к показателям Требования к составам Показатели деформативности качества бетона Класс бетона Подвижность Содержание В/Т- усадка набухание бетонной сме- МБ-01, % от отношение си, см массы цемента Бетон на мелком заполнителе В75 16-20 15 0,30-0,(30-40) (60-70) 22-24 22 0,30-0,10-5 10-В80 16-20 22 0,26-0,Бетон на крупном заполнителе В65 16-20 15 0,30-0,(40-50) (10-25) 22-24 22 0,30-0,10-5 10-В75 16-20 22 0,25-0,Таблица Деформативные характеристики модифицированных бетонов Вид Вид бетона Значения удельных деформаЗначение деформаций, 10-деформаций ций, 10-в среде с относительной влажностью воздуха 30-35 50- 70- 100% 30-35 50- 70- 100% % 55% 75% % 55% 75% Усадка на мелком 75-90 40-70 30-40 - 1,3-2 1,5-2,5 2,0-3,0 - заполнителе на крупном 70-80 50-65 25-50 - 2,1-2,6 3,0-4,2 4-4,5 - заполнителе Набухание на мелком 20-30 50-70 60-80 80-100 1,5-2,5 1,5-2,5 1,5-2 1,8-2, заполнителе на крупном 5-10 10-25 20-40 50-70 0,3-0,5 0,8-1,0 1,5-2,5 2-2,заполнителе Таблица Коэффициенты линейных влажностных деформаций Используемые Предлагаемые для высокопрочных (по С.В. Александровскому) модифицированных бетонов = 310-2 (мм/мм)/(г/г) = 4,510-2 (мм/мм)/(г/г) = 510-3 (мм/мм)/(г/г) = 2,510-2 (мм/мм)/(г/г) По результатам обобщения методического опыта исследований предложена методика оценки влажностных деформаций бетонов, позволяющая моделировать полный диапазон влажностных режимов эксплуатации и обеспечивающая квазистационарный режим увлажнения-высыхания. Статистическая оценка результатов испытаний по авторской методике и сопоставление полученных данных с данными специально проведенных испытаний по ГОСТ 24544-81* Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучеcти позволяют заключить, что разработанная методика отличается высокой статистической достоверностью, а получаемые данные адекватны результатам стандартных испытаний (табл. 8).

Таблица Оценка статистической достоверности и адекватности разработанной методики определения влажностных деформаций бетонов Метод испытания ГОСТ24544-81* "Бетоны. Методы Авторская определения деформаций усадки методика и ползучести" 15,05 15,Среднее значение усадки бетона, 1(при влажности среды 55-60%) 4,0 1,Среднее квадратическое отклонение, 1Коэффициент изменчивости, % 27 Доверительный интервал при обеспеченно- 15,054,53 15,391,сти Р=0,Предельная ошибка x 5,66 1,ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Состав и структура высокопрочных модифицированных бетонов нового поколения характеризуется повышенным количественным содержанием наноструктурных составляющих по сравнению с классическими традиционными бетонами. Это определяет повышение энергетического потенциала поверхности твердой фазы и порового пространства, что может привести к интенсификации процессов влагообмена и деформирования при эксплуатации.

2. Сформулированы научные подходы к управлению влажностными деформациями высокопрочных модифицированных бетонов через направленное формирование структуры как средства управления балансом сил ее связи с водой. Приоритет в регулировании величины влажностных деформаций отдается формированию состава и структуры связующего: объемного соотношения и размеров твердофазовых элементов и пор, химико-минералогического состава новообразований цементирующего вещества, являющихся критериальными для энергетического потенциала структуры.

3. По результатам комплексной идентификации строения модифицированных бетонов установлено, что их высокодисперсная, плотная микрогетерогенная структура принципиально отличается от традиционной немодифицированной: общий объем пор сокращается в 1,5 раза, при этом доля нанопор r < нм повышается в 2-2,5 раза; в структуре преобладают гидросиликаты кальция типа CSH (I) преимущественно скрытокристаллической формы с размером глобуловидных частиц 100-300 нм; величина удельной поверхностной энергии твердой фазы возрастает почти в 2 раза.

3. Установлено, что в применяемом на практике диапазоне составов высокопрочных модифицированных бетонов обеспечивается формирование групп структур, для которых критериальные для влагообмена и деформирования значения размерно-геометрических и энергетических характеристик твердой фазы и порового пространства отличаются в 2-4 раза. Наибольшая плотность, минимальные значения удельной площади, объема пор, наибольшее содержание пор с rэ < 20 нм достигаются для 4 структурной группы, получаемой при дозировке модификатора серии МБ в диапазоне 22-30 % от массы цемента при одновременной минимизации В/Т-отношения.

4. Происходящее при модифицировании изменение критериальных параметров структуры влияет на показатели процессов влагообмена и деформативных характеристик следующим образом.

Увеличение площади поверхности твердой фазы и содержания нанопор в структуре в 2 раза приводит к увеличению адсорбционной емкости материала в 2,2 раза; рост теплоты смачивания поверхности в 2 раза обеспечивает снижение величины влагопотерь при обезвоживании почти в 3 раза; снижение общего объема пор с 0,33 до 0,23 м3/м3 и объема капиллярных пор с 0,25 до 0,м3/м3 материала позволяет в 2 раза снизить величины капиллярного и водонасыщения.

Увеличение удельной поверхности твердой фазы связующего в 2,5 раза сопровождается ростом значений набухания микробетона в 3,5 раза, усадки - почти в 2 раза; двухкратное снижение объема капиллярных пор в структуре бетона обеспечивает снижение величин набухания и усадки в 1,5-2,5 раза.

5. Величина эксплуатационных деформаций набухания-усадки модифицированных бетонов до 1,5 раз превышают их значения для традиционных бетонов. Трансформация строения бетона при модифицировании оказывается фактором роста силы взаимодействия материала с водой. Удельные влажностные деформации набухания и усадки, определяющие влажностные напряжения при эксплуатации конструкций, выше в 1,5-2 раза по сравнению с бетонами традиционной структуры.

6. Минимальные значения показателей влагообмена и деформаций набухания-усадки достигаются для высокопрочных модифицированных бетонов с 3,4 структурной группой связующего, формирование которых обеспечивается при дозировках модификатора 15-22% от массы цемента и В/Т= 0,21-0,25.

7. По критерию минимальной деформативности обоснованы ограничения по составам высокопрочных бетонов классов В65-В80. При этом в рамках составов модифицированных бетонов, используемых на практике, удается обеспечить величину влажностных деформаций не выше, чем для традиционных бетонов.

8. Для учета особенностей деформирования высокопрочных модифицированных бетонов при проектировании конструкций обоснованы значения коэффициентов линейных влажностных деформаций при обезвоживании и развитии усадки =4,510-2 (мм/мм)/(г/г), при увлажнении и развитии набухания =2,510-2 (мм/мм)/(г/г).

9. Обоснованы предложения по методике определения влажностных деформаций бетонов в условиях, моделирующих влажностные режимы эксплуатации. Подтверждена адекватность предлагаемой методики стандартным условиям испытаний и ее высокая статистическая достоверность.

Результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в рецензированных журналах и изданиях 1. Чемоданова, С.Н. Влажностные деформации модифицированного цементного камня / Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова //Строительные материалы. - 2008. Ц№5. - С.70-72.

2. Чемоданова, С.Н. Новое поколение высокопрочных модифицированных бетонов: отличительные признаки структуры и закономерности развития деформаций / С.Н. Чемоданова, Г.С. Славчева // Научный вестник ВГАСУ.

Строительство и архитектура - Воронеж, 2011 Ц№ 2(22) ЦС. 58-67.

3. Чемоданова, С.Н. Влияние параметров структуры на влажностные деформации высокопрочных модифицированных бетонов/ Г.С. Славчева, С.Н.

Чемоданова// Строительные материалы. Ц2011. - №8. - С.32-34.

Отраслевые издания и материалы конференций 1. Чемоданова, С.Н. Исследование гигромеханических характеристик модифицированного цементного микробетона / Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова // Вестник ЦРО РААСН: Вып. 6. - Воронеж - Тверь, 2007. - С.165-174.

2. Чемоданова, С.Н. Методические особенности исследования деформативных и прочностных характеристик высокопрочных бетонов нового поколения при изменении его влажностного состояния / С.Н. Чемоданова // Сборник статей международной научно- практической конференции Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре - Липецк, 2007ЦС. 143-14.

3. Чемоданова, С.Н. Гигрометрические и деформативные характеристики модифицированного цементного камня/ Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова // Вестник ЦРО РААСН: Вып. 7. - Воронеж - Липецк, 2008, С.163-170.

4. Чемоданова, С.Н. Влияние состава и структуры высокопрочных модифицированных бетонов на интенсивность процессов их влагообмена со средой/ Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова // Достижения материаловедения и модернизации строительной индустрии. - Матер. XV академ. чтений РААСН. Том II - Казань, 2010, С.258-26.

Подписано в печать 21.03.2012 Формат 60 х 84 1/16.

Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №1____________________________________________________________________ Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям