Методическое пособие 679

Результаты исследования наноструктур бетонов корреспондируются с результатами исследования их микроструктур. В то же время наблюдаются и некоторые различия. Так, для микроструктурных изменений цементного камня бетона повышенной термостойкости характерен переход при повышении температурного воздействия в интервале от 700 ºC до 1100 ºC от гранулированных структур к оплавленным.

Рис. 3.7. Результаты оптических исследований макро- и микроструктуры бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия:

а, в, д – макроструктура бетона после температурного воздействия 700, 900, 1100 ºC; б, г, е – микроструктура бетона после температурного воздействия 700, 900, 1100ºC (×54 раза)

61

Макроструктурные исследования подтвердили и доказали наши представления об изменении структуры цементного камня и бетона повышенной термостойкости, которая просматривается на рис. 3.7. При различных величинах температурного воздействия изменения макроструктуры бетона повышенной термостойкости согласуются с внешним видом представленных образцов, поверхность которых после температурного воздействия от 700 ºC до 1100 ºC сохраняет целостность структуры.

3.3. Исследование физико-механических свойств бетона повышенной термостойкости после температурных воздействий

3.3.1. Влияние температурных воздействий на прочностные характеристики бетона

Испытания проводились на образцах размером 40 × 40 × 160 мм, которые выдерживались в течение 16 ч в нормальных условиях и пропаривались при температуре 80 0С по режиму 2 + 6 при естественном остывании. Перед испытаниями образцы высушивались до постоянной массы при температуре 105 0С в сушильном шкафу.

Проведенные исследования прочностных свойств образцов бетона повышенной термостойкости и эталонного бетона приведены в табл. 3.4.

* - по результатам 9 испытаний

Проведенные исследования физико-механических свойств бетона повышенной термостойкости позволили установить, что прочность при их сжатии в 1,2 раза ниже прочности бетона эталонного состава.

В ходе исследований проводились испытания на прочность образцов бетона повышенной термостойкости и образцов эталонного состава, после прохождения одного цикла термических испытаний при температурах 700, 900 и 1100 ° С в течение 60 мин, результаты которых приведены в табл. 3.5 и на

рис. 3.8 – 3.10.

62

Рис. 3.8. Зависимость прочности бетона от термических воздействий: 1 – бетон с шунгитом; 2 – эталонный бетон

Конечно, показатель прочности, изменяющийся при испытании на термостойкость, является одним из важных показателей физико-механических свойств бетона. Не менее важно снижение плотности бетона при термической обработке. Согласно выдвинутой гипотезе в работе предполагалось снижение теплопроводности бетона повышенной термостойкости и, соответственно, его плотности за счет вспучивания шунгита. Это утверждение нашло подтверждение в результатах испытаний бетона на теплопроводность.

63

Показано, что в образцах бетона повышенной термостойкости с шунгитом, подвергнутых однократному воздействию высоких температур, прослеживается снижение прочности при сжатии (рис. 3.9).

1

2

Рис. 3.9. Зависимость плотности бетона от температурных воздействий: 1 – бетон с шунгитом; 2 – эталонный бетон

Однако прочность бетона повышенной термостойкости при температурном воздействии 700 0С на 30 %, а при 900 0С на 50 % выше по сравнению с образцами эталонного бетона. После температурного воздействия 1100 0С образцы бетона повышенной термостойкости сохранили 64 % от первоначальной прочности в отличие от образцов бетона эталонного состава. Важен и тот момент, что образцы бетона из эталонного состава, подвергнутые однократному воздействию высоких температур при 1100 0С, разрушились.

Образцы бетона повышенной термостойкости сохранили свою целостность (рис. 3.10), вместе с тем, отмечено образование единичных трещин шириной до 2 мм, что подтверждается состоянием структуры бетона, представленной на рис. 3.7.

Рис. 3.10. Состояние бетона повышенной термостойкости после термических испытаний при 1100 0С

64

3.3.2. Результаты оценки термической стойкости бетона

Для оценки образцов бетона на термостойкость по ГОСТ 20910-90 [13] были проведены соответствующие испытания.

Результаты испытаний образцов бетона показали, что разработанный состав имеет более высокую термостойкость: при 700 0С более чем в 5 раз, при 900 0С – в 6 раз, а при 1100 0С – в 8 раз по сравнению с эталонным бетоном

(рис. 3.11).

1

2

Рис. 3.11. Изменение термостойкости образцов в зависимости от температуры: 1 – бетон повышенной термостойкости

с шунгитом; 2 – эталонный бетон

Это, на наш взгляд, объясняется влиянием шунгита на изменение структуры бетона и изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита (см. табл. 3.3, рис. 3.7). Состояние образцов бетона после испытаний на термостойкость показано на рис. 3.12.

а) б)

Рис. 3.12. Состояние образцов бетона после испытаний на термостойкость при температурном воздействии 1100 0С: а – бетон повышенной термостойкости; б – эталонный бетон

65

Образцы бетона повышенной термостойкости, подвергшиеся температурному воздействию 1100 0С, после 8 циклов испытания сохранили целостность, не имели поверхностных трещин (рис. 3.12, а) в отличие от образцов бетона эталонного состава (рис. 3.12, б).

Отмеченные изменения свойств бетона, безусловно, связаны с его структурными преобразованиями (см. рис. 3.6 и 3.7). Вероятно, сохранение целостности бетона повышенной термостойкости обусловлено в целом рядом факторов, а именно формированием изменений структуры контактного слоя между шунгитом и цементным камнем, изменением вязко-пластичных свойств цементного камня, а также пассивным регулированием процесса вспучивания шунгитовых частиц.

Таким образом, результаты испытаний на термостойкость полностью согласуются с ранее выполненными исследованиями. Это дает основание для перспективности применения предлагаемых бетонов повышенной термостойкости.

3.3.3. Исследование изменения теплопроводности бетона в зависимости от величины температурных воздействий

Выполненные испытания направлены на получение бетона повышенной термостойкости для вариатропных огнестойких конструкций. Потребовались дополнительные испытания бетонов повышенной термостойкости с точки зрения оценки динамики изменения теплофизических свойств.

Образцы бетона повышенной термостойкости и эталонного состава, прошедшие один цикл термического воздействия при температурах от 700 ° С до 1100 ° С, в дальнейшем подверглись исследованию на теплопроводность. Исследования проводились на приборе ИТСМ – 100.

Из результатов испытания образцов бетона, на теплопроводность, проведенных по ГОСТ 7076-99 [109] после термических воздействий, видно, что теплопроводность бетона повышенной термостойкости после термических воздействий существенно изменяется. Установлено, что при температурном воздействии от 20 0С до 1100 0С теплопроводность этого бетона снижается с 0,26 до 0,19 Вт/м·0С (табл. 3.6), что объясняется вспучиванием шунгита, изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита (см. табл. 3.3) и изменениями нано- и микроструктуры бетона (см. рис. 3.4, 3.6). Вид образцов бетона повышенной термостойкости и эталонного состава после термического воздействия представлен на рис. 3.13 и 3.14.

На рис. 3.13 видно, что образцы бетона повышенной термостойкости при температуре обжига 900 0С и 1100 0С сохранили свою целостность в отличие образцов бетона эталонного состава (рис. 3.14), у которых при температуре обжига, равной 700 0С, появились сквозные трещины, а при 1100 0С произошло их разрушение.

66

Таблица 3.6

Результаты испытаний образцов бетона на теплопроводность после термических воздействий в диапазоне температур от 700 ° С до 1100 ° С

Рис. 3.13. Внешний вид образцов бетона повышенной термостойкости,подвергнутых термическим воздействиям при 900° С и 1100° С

Рис. 3.14. Внешний вид образцов бетона эталонного состава, подвергнутых термическим воздействиям при 1100 ° С

67

Данные электронно-микроскопических исследований (см. рис. 3.5, 3.6) показали связь полученных результатов физико-механических испытаний образцов бетона с его структурой. Эти данные хорошо корреспондируются с результатами ранее выполненной атомно-силовой микроскопии (рис. 3.4). Исследования макро, микро и наноструктурных показателей бетонов позволили обосновать целесообразность применения предлагаемых состава и свойств бетона повышенной термостойкости. Это дало возможность рекомендовать данные бетоны для создания термостойких слоев в вариатропных системах, обеспечивающих повышение огнестойкости конструкций при температурном воз-

действии [130 – 135].

По результатам исследований, представленных в данной главе можно сделать следующие обобщения.

Исследования, выполненные с термодинамических позиций, доказали эффективность совмещения материалов – шунгита, цемента, граншлака, асбеста

вбетоне повышенной термостойкости, что обеспечивает стабильность бетона и его требуемые свойства для огнестойких железобетонных изделий. Показана целесообразность применения частиц шунгита размером от 2,5 до 0,16 мм и менее, обеспечивающих термостойкость образцов бетона и сохранение 64 % от их первоначальной прочности в отличие от образцов бетона эталонного состава при испытаниях в условиях стандартного пожара.

Методом планирования эксперимента осуществлен подбор рационального состава бетона повышенной термостойкости по требуемым реологическим параметрам смеси, средней плотности и прочности бетона. Базируясь на основах теории протекания, показано, что для исследуемой системы «цементный камень -шунгит» целесообразно реализовывать «модель протекания по касающимся сферам», согласно которой объем частиц шунгита в составе цементного камня не должен превышать 16 % от общего объема вяжущего вещества.

Исследованиями бетона повышенной термостойкости на нано-, микро и макроуровне при температурных воздействиях от 700 0С до 1100 0С установлены изменения как его структуры, так и элементного состава цементного камня

взоне контакта с зернами шунгита, что обуславливает динамическое изменение теплофизических параметров такого бетона, обеспечивающих повышение огнестойкости железобетонных конструкций на основе вариатропных изделий, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию.

Установлено, что разработанный бетон повышенной термостойкости обладает динамическим изменением теплопроводности с 0,26 до 0,19 Вт/м·0С при увеличении температурных воздействий от 20 0С до 1100 0С, что вызвано вспучиванием шунгита и изменением элементного состава цементного камня в зоне

контакта с зернами шунгита, что обеспечивает повышение термостойкости до 8 раз (с 0 до 8 циклов) при температурном воздействии 1100 0С по сравнению с эталонным бетоном.

68

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕТОНА ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ДЛЯ ОГНЕСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

4.1. Исследование адгезионной прочности слоя бетона повышенной термостойкости и несущего слоя в вариатропных изделиях

4.1.1. Обоснование требований и исследование реологических свойств бетонной смеси для слоя бетона повышенной термостойкости в вариатропных изделиях

В работе рассмотрены основы технологии изготовления сборных железобетонных конструкций на основе вариатропных огнестойких изделий, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию. Нанесение слоя бетона повышенной термостойкости осуществляется на посту формования непосредственно на поверхность свеже отформованного несущего слоя вариатропного изделия. Важнейшей характеристикой при назначении режимов приготовления бетонной смеси и формования изделий является показатель реологических свойств бетона. Особенно важен учет реологических свойств термостойкого бетона, так как он наносится непосредственно на поверхность свежеотформованного изделия на посту формования. Как показали ранее выполненные исследования, такой бетон для обеспечения трещиностойкости при нагреве должен иметь прочность на отрыв не менее 0,1 МПа [37].

На основе результатов ранее выполненных исследований показано, что рациональные показатели удобоукладываемости бетонных смесей находятся в диапазоне от 8 до 12 см по ОК [37]. Для получения количественных оценок реологических свойств, а именно предельного напряжения сдвига и эффективной вязкости, были проведены испытания, в ходе которых варьировалось соотношение компонентов бетонной смеси.

Результаты выполненных исследования по количественной оценке реологических свойств бетонной смеси в физических единицах с определением величины напряжения сдвига, предельного напряжения сдвига, эффективной вязкости приведены на рис. 4.1, 4.2. Определяемый показатель соответствует минимальной величине эффективной вязкости ηэфф1, проявляемой при соответствующих напряжениях сдвига σ01.

69

1

3

2

σ03 σ02 σ01 Напряжение сдвига, Па

а) кривая зависимости градиента скорости от напряжения сдвига

3 2 1

ηэфф.1

б) кривая зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига

Рис. 4.1. Реологические свойства бетонных смесей повышенной термостойкости: 1 – В/Т = 0,30; 2 – В/Т = 0,32; 3 – В/Т = 0,34

70