3487

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

конструкционной стали категории 1 в рабочем интервале температур изделия вне зависимости от рабочих скоростей нагружения.

Рис. 1. Структура стали 20 в состоянии поставки (х120)

Анализ механических свойств стали категории 2. После нормализации с 900 оС сталь 20, имевшая ферритно – перлитную структуру (рис. 2) с невыявленным третичным цементитом, показала явную и однозначную зависимость механических свойств (табл. 4- 6) от скорости деформации. Установлено, что при изменении скорости деформации с 10−² с−¹ до 10² с−¹ заметно падали прочностные характеристики, такие как временное сопротивление

σb, и предел текучести σ0,2 при всех выбранных температурах испытаний (20 оС, 200 оС и

минус 196 оС). Относительное удлинение δ, характеризующие способность материала к равномерной деформации, заметно не меняло своей величины при 20 оС и 200 оС, но почти

втри раза возрастало при высоких скоростях деформации в области криогенных температур,

вто время как основной показатель пластичности (относительное сужение ψ) при всех

выбранных температурах эксперимента повышал свое значение с ростом скорости деформации, причем тем выше, чем ниже была температура испытаний. Так, если при 200 оС рост относительного удлинения составлял 14 %, то при 20 оС уже 70 %, а при минус 196 оС – 110 %, что макроскопически подтверждается видом зоны разрушения.

Пониженное значение величин σb и σ0,2 при высоких скоростях деформации можно объяснить локализованным диссипативным нагревом полосы скольжения при высокоскоростном движении дислокации в ферритной составляющей стали, что помогает им в преодолении барьеров, в то время как при малых скоростях деформации тепло успевает релаксировать, и начинают сказываться явления наклепа. Очевидно, что роль локализованного диссипативного нагрева должна возрастать с понижением температуры. Действительно, снижение температуры эксперимента с 200 оС до 20 оС и минус 196 оС с ростом скорости

деформации давало уменьшение σb на 14 %, 25 % и 30 % соответственно, что хорошо согласуется с вышеприведенными данными по изменениям величины ψ0 и процентными соотношениями между величинами σb и σ0,2 полученными при 200 оС, 20 оС и минус 196 оС.

Рис. 2. Структура нормализованной стали 20 (х120)

51

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Таблица 4

Механические свойства стали 20 после нормализации и разных скоростях деформации при температуре 20 оС

Таблица 6

Механические свойства стали 20 после нормализации и разных скоростях деформации при температуре 200 оС

Уменьшаясь с понижением температуры, эти соотношения при скорости деформации, равной 10−² с−¹, составили 99 %, 68 % и 14 % соответственно, и имеют постоянную тенденцию к росту с увеличением скорости деформации при каждой температуре эксперимента до значений 160 %, 114 % и 20 %.

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

третичного цементита по телу ферритной составляющей (рис. 3) во время выдержки образца при 200 оС, а также с возможным дополнительным закреплением дислокаций примесными атмосферами, что проявляется в появлении площадки и даже зуба текучести на деформационной кривой.

Рис. 3. Структура стали 20 категории 2 до и после длительного нагрева: а – до нагрева (х820); б – после нагрева (х820)

Показав отсутствие скоростной зависимости способности стали к равномерной деформации при схеме линейного деформированного состояния в температурном интервале от 20 0С до 200 0С, сталь 20 после нормализации при объемной схеме деформированного состояния заметно повышала свою пластичность с ростом скорости деформации, что вместе

с данными о снижении величины σ0,2 может быть использовано при выборе технологических режимов обработки металла давлением (ОМД).

Анализ механических свойств стали категории 4. Не столь однозначно вела себя сталь 20 категории 4 (после закалки с 850 оС и отпуска при 600 оС) (таблицы 7, 8, 9). Имея структуру сорбита отпуска (рис. 4) при температурах 200 оС и минус 196 оС, сталь показала

снижение значений σb, при большой скорости деформации, но при 20 оС временное сопротивление при скорости деформации 10 ² с−¹ оказалось выше, чем при скорости 10−² с−¹. Вероятной причиной последнего можно считать превалирующую роль наклепа в таких условиях эксперимента, так как малые размеры пластичной структурной составляющей – феррита уменьшают длину свободного пробега дислокаций, повышая значимость высокой плотности границ зерен.

Если предположение о выделении третичного цементита по телу ферритной составляющей при нагреве 200 оС, подтверждаемое металлографией (рис. 4), верно, тогда становится понятным повышение прочностных характеристик при этой температуре также и при малых скорости деформации (10−² с−¹) по сравнению с аналогичными испытаниями при 20 оС. В то же время при больших скоростях деформации диссипативный нагрев, сложенный с внешней температурой в 200 оС, может облегчить дислокациям преодоление

этих мелкодисперсных выделений, что объясняет снижение величин σb +200 ºС и σ0,2 +200 ºС по

сравнению с σb+20 ºС и σ0,2+20 ºС в этих условиях (табл. 7 и 9). Косвенным подтверждением тому служит и снижение σb −196 ºС и σ0,2 −196 ºС при росте скоростей деформации (табл. 8).

Таким образом, при необходимости высокочастотных исследований механических свойств качественных углеродистых сталей категорий 2 и 4 следует учесть поправки на возможные изменения в свойствах, а при вероятной эксплуатации изделий из этой стали в высокоскоростном режиме обязательно проводить высокоскоростные испытания на механические свойства.

53

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Таблица 7

Механические свойства стали 20 после закалки и отпуска и разных скоростях деформации при температуре 20 ºС

Таблица 9

Механические свойства стали 20 после закалки и отпуска и разных скоростях деформации при температуре 200 оС

Рис. 4. Структура стали 20 после закалки и отпуска (х120)

54

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Выводы. По результатам исследований было установлено, что уровень чувствительности стали 20 к воздействию внешних факторов (температуры, скорости деформации, схемы нагружения) связан с исходным структурным состоянием.

Список литературы

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – 2-изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 352 с.

2.ГОСТ 1497-84. Методы испытаний на растяжение. – М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1984. – 35 с.

3.ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. – М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1990. – 37 с.

4.ГОСТ 9454-60. Метод определения ударной вязкости при нормальной температуре.

–М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1960. – 19 с.

5.ГОСТ 9455-60. Метод определения ударной вязкости при низких температурах. – М.: Госстандарт СССР: Изд – во стандартов, 1960. – 33 с.

____________________________________________________________

Лукин Анатолий Александрович - к.ф.-м.н., доцент кафедры материаловедения и физики металлов Воронежского государственного технического университета. E-mail: toto_luk@mail.ru

Тарханов Андрей Константинович - к.ф.-м.н., доцент кафедры физики Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: anvetkin@yandex.ru

Лукин Олег Анатольевич - к.ф.-м.н., доцент кафедры экономики Московского института инженеров транспорта (МИИТ, Воронежский филиал).

55

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

УДК 666.972.16

А.А. Леденев, В.Т. Перцев, Джафар Рамадан Аль Судани

КОМПЛЕКСНЫЕ МОДИФИКАТОРЫ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПРИДАНИЯ БЕТОНАМ СПЕЦИАЛЬНЫХ СВОЙСТВ

Показано, что на эффективность действия разработанных модификаторов существенное влияние оказывает вид минерального компонента и химической добавки, совместное использование которых способствует взаимному усилению эффективности действия отдельных компонентов.

Ключевые слова: добавки для бетона, ускорители твердения, противоморозные добавки, комплексные модификаторы

A.A. Ledenev, V.T. Pertsev, Jafar Ramadan Al Sudani

COMPLEX MODIFIERS OF THE MULTIFUNCTIONAL ACTIONS FOR IMPARTING SPECIAL PROPERTIES OF CONCRETES

It’s shown, that on efficiency of action of the developed modifiers essential influence renders a kind of a mineral component and the admixtures which sharing promotes mutual strengthening of efficiency of action of separate components.

Keywords: admixtures for concrete, hardening accelerators, antifreeze admixtures, complex modifiers

Введение. В современном строительстве используется широкая номенклатура различныхдобавок, позволяющихпридавать бетонным смесям и бетонам специальные свойства[1, 2]. В частности, одним из способов зимнего бетонирования является введение в

бетонные и растворные смеси противоморозных добавок, способствующих нормальному протеканию процессов гидратации цемента [3]. Противоморозные добавки нашли широкое применение при возведении монолитных и сборно-монолитных конструкций, при установившейся температуре наружного воздуха или грунта ниже плюс 5 °С и минимальной суточной температуре ниже 0 °С вплоть до минус 30 °С [3].Другой актуальной задачей, решаемой за счет применения добавок при производстве бетонных и железобетонных конструкций, является ускорение набора прочности бетона, что может быть достигнуто за счет применения добавокускорителей твердения. Область эффективного применения добавокускорителей твердения достаточна широка, в частности их применение позволяет:облегчить уход за бетоном и снижает период набора критической прочности, повысить производительность предприятий сборного железобетона, увеличить оборачиваемость форм, экономить цемент, сократить расход при тепловлажностной обработке бетона, облегчить уход за бетоном в условиях сухого и жаркого климата и т.д. [3, 4].

Несмотря на широкое применение разнообразных противоморозных добавок и добавок ускорителей твердения, важной и актуальной задачей является улучшение физикомеханических свойств бетонов: повышение прочности (в ранние и нормируемые сроки твердения), снижение проницаемости, повышение морозостойкости и др. Данную задачу можно успешно решить за счет применения комплексных органоминеральных модификаторов полифункционального действия, включающих минеральный компонент, поверхностно-активное вещество (ПАВ), противоморозную добавку или ускоритель

©Леденев А.А., Перцев В.Т., Джафар Рамадан Аль Судани, 2014

56

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

твердения (в зависимости от назначения). При этом важным и открытым является вопрос о совместимости применения данных компонентов в составе комплексных модификаторов и эффективности их действия в цементных системах.

Целью данной работы является исследование и разработка составов комплексных органоминеральных модификаторов двух видов: обладающих противоморозным действием и повышающих прочность бетона и ускоряющих твердение и повышающих прочность бетона.

На основании ранее выполненных исследований свойств минеральных компонентов и эффективности их взаимодействия с ПАВ [5, 6] были разработаны составы комплексных модификаторов двух видов:

-обладающих противоморозным действием и повышающих прочность бетона – ОМДпм (табл. 1);

-ускоряющих твердение и повышающих прочность бетона – ОМДу (табл. 2).

Всоставе ОМДпм в качестве противоморозной добавки применяли формиат натрия

(HCO2Na). В составе ОМДуускорителями твердения являлись нитрат натрия (NaNO3), сульфат натрия (Na2SO4), для снижения агрессивного воздействия на арматурную сталь хлористого кальция применяли комплексный ускоритель твердения хлористый кальций + нитрит натрия (CaCl2 + NaNO2).

Вкачестве ПАВ, входящих в состав разрабатываемых комплексных модификаторов, использовались представители пластифицирующе-водоредуцирующих добавок различной химической основы: суперпластификатор С-3, гиперпластификаторыMelflux 2651F и ГПМУльтра. Минеральными компонентами являлись молотый кварцевый песок, молотый

гранулированный шлак, молотый известняк и молотый керамический кирпичс удельной площадью поверхности 700 м2/кг.

Таблица 1

Виды и составы комплексных модификаторов обладающих противоморозным действием и повышающих прочность бетона

Оценку эффективности действия разработанных модификаторов проводили согласно ГОСТ 30459-2003 и ГОСТ 24211-2003. Эффективность действия модификаторов обладающих противоморозным действием и повышающих прочность определяли по прочности бетона, твердевшего при отрицательной температуре, в сравнении с прочностью бетона, твердевшего в нормальных условиях.

57

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Оценку эффективности действия модификаторов проводили путем сравнения критерия эффективности с изменением прочности основного состава по сравнению с контрольным, рассчитываемым по формуле

твердевшегов нормальных условиях, МПа.

Таблица 2 Виды и составы комплексных модификаторовускоряющих твердение

и повышающих прочность бетона

Эффективность действия модификаторов, обладающих ускоряющим действием и повышающих прочность бетона, оценивали по изменению величины относительной прочности бетона (ΔRt) в основных составах по сравнению с контрольными в возрасте 1 суток нормального твердения и в возрасте 28 суток. Оценку эффективности действия модификаторов определяли путем сравнения критерия эффективности с изменением прочности основного состава по сравнению с контрольным составом Rt, определяемым по формуле:

осн−контр

∆ = ∙ 100, (2)

осн

где t – время твердения в нормальных условиях, сутки.

Водоредуцирующее действие модификаторов (∆Вд) определялось по снижению расхода воды в процентах от контрольного состава (без модификатора), при постоянной реологической характеристике, оцениваемой величиной расплыва цементного теста, который был равен 13 – 14 см по вискозиметру Сутторда и величиной осадки конуса бетонных смесей, которая составляла 18 – 20 см.

Результаты проведенных исследований по оценке эффективности разработанных комплексных модификаторов, обладающих противоморозным действием и повышающих

58