2206

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ НА ПРОЦЕССЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ СЖАТИИ

И.Н. Максимова, В.Т. Ерофеев, Н.И. Макридин, Ю.В. Полубарова

Экспериментально определены прочностные и структурные характеристики цементного камня при кратковременном нагружении. Дана сравнительная оценка деформационных особенностей цементного камня разной структуры на диаграмме сжатия.

Ключевые слова: цементный камень, структура, водо-цементное отношение, прочность, упругие и пластические деформации, модуль упругости, коэффициент Пуассона, объемные относительные деформации, упругая характеристика, величина пластичности

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

INFLUENCE OF CEMENT STONE STRUCTURE

ON DEFORMATION AND DAMAGE PROCESSES

UNDER COMPRESSION

I.N. Maksimova, V.T. Erofeev, N.I. Makridin, Yu.V. Polubarova

Experimentally determined strength and structural characteristics of cement stone under shortterm loading. A comparative assessment of the deformation characteristics of cement stone of different structures on the compression diagram is given.

Keywords: cement stone, structure, water-cement ratio, strength, elastic and plastic deformation, elastic modulus, Poisson's ratio, relative volumetric deformation, elastic characteristic, value of plasticity

Современная тенденция использования в строительстве бетонов нового поколения, то есть более высокопрочных бетонов, отличающихся высокими реотехнологическими свойствами цементных систем, повышенной плотностью, однородностью и прочностью матричной фазы за счет модифицирования ее структуры химическим пластифицирующими добавками с высоким водоредуцирующим эффектом, обуславливают необходимость более детального изучения механического поведения цементного камня разной структуры и прочности с позиций механики деформируемого твердого тела с оценкой деформационных эффектов на диаграмме нагружения, позволяющих судить о его конструкционной прочности как комплексной механической характеристике, включающей сочетание критериев прочности, надежности и долговечности, и позволяют получить условия оптимизации состояния по тем или иным параметрам.

В данных условиях структуру цементного камня при относительно невысоких значениях В/Ц отношения можно, по образному выражению В.Н. Юнга, квалифицировать как «микробетон», считая, однако, что «заполнителями» в нем служат негидратированные остатки цементных частиц – ядра, а вяжущим являются окаймляющие их значительно менее плотные реакционные каемки, состоящие из новообразований, постепенно упрочняющихся с течением времени [1], что находится в полном соответствии с представлениями [2–4] о зависимости степени гидратации цементного зерна от водоцементного фактора.

Нами были изучены деформационные особенности и структурные изменения цементного камня разной структуры и прочности в процессе его механического нагружения при осевом сжатии.

Для изучения деформативных свойств и прочности цементного камня при осевом сжатии был использован бездобавочный портландцемент активностью 41,5 МПа, нормальной густоты, равной 0,26. Минералогический состав цемента, %: C3S – 56; C2S – 19; C3A – 13; C4AF – 12. Начало схватывания – 3 часа. Конец схватывания – 4 часа 20 минут. Характеристики цемента были определены в соответствии с требованиями ГОСТ 310.1–76 – 310.3–76 и ГОСТ 310.4–81.

Было изготовлено и испытано две серии образцов из цементного камня с В/Ц отношением, равным 0,25 и 0,31. Каждая серия образцов состояла из шести балочек размером 40×40×160 мм. Приготовление смеси и изготовление образцов-балочек производили по методике ГОСТ 310.4–81.

После суточного хранения в формах над водой образцы распалубливали и помещали на 27 суток в ванну с водой при температуре 20–22 °С. Затем образцы в течение 30 суток хранили в естественных лабораторных условиях.

Механические испытания образцов на осевое сжатие проводили в возрасте 60–65 суток с помощью пресса УММ-50. Для замера деформаций использовали измеритель АИД-1М. Для этого на каждой грани призмы в средней части ее высоты наклеивали крестом 50- и 30-миллиметровые тензодатчики омического сопротивления, соответственно, в продольном и поперечном направлениях.

Определение структурных, деформационных и прочностных характеристик опытных образцов при кратковременном нагружении производили в соответствии с рекомендациями [5, 6]. Осевая сжимающая статическая нагрузка прикладывалась ступенями в 0,1 ожидаемой призменной прочности вплоть до разрушения. На каждой

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

степени нагружения проводились тензометрические измерения упруго-мгновенных и пластично-мгновенных продольных и поперечных деформаций цементного камня автоматическим измерителем деформаций АИД–1М.

На основании обработки всех тензометрических измерений определяли значения предельной сжимаемости 1 , предельной поперечной растяжимости 2 , коэффициен-

та поперечной деформации 2 1 , его приращения 2 1 , объемного относительного изменения цементного камня при осевом сжатии 1 2 2 , приращения объема 1 2 2 , и по ним оценивали границу появления разуплотнения структуры цементного камня и развития микротрещин, т.е. уровни расположения параметрических точек Rt0 и Rt на диаграмме нагружения образцов, определяли также продольные относительные упруго-мгновенные деформации 1УМ , продольные относительные деформации пластичности 1ПМ , поперечные относительные упругомгновенные деформации 2УМ и поперечные относительные деформации пластичности 2ПМ , модуль деформации Еi i 1i , упругую характеристику iУ Ei RПР , коэффициент упругости 1i УМ 1i , величину пластичности 1i ПМ 1i УМ .

В табл. 1 и 2 приведены средние численные значения прочностных, деформационных и структурныхпараметровопытныхобразцовцементногокамнясравниваемыхсерий.

Сравнительный анализ экспериментально полученных механических характеристик цементного камня, приведенных в табл. 1 и 2, позволяет сформулировать ряд положений о влиянии структуры и прочности на механическое поведение цементного камня на диаграмме нагружения.

Прежде всего отметим, что расчетная плотность цементного камня при В/Ц=0,25 составляла 2182 кг/м3, а средняя призменная прочность RПР 140,6 8,1 МПа.

Увеличение В/Ц отношения до значения 0,31 приводило к снижению RПР до

(105±5,6) МПа, то есть на 25,3 %, а расчётная плотность уменьшалась до 2070 кг/м3, то есть на 5,4 %.

Особого внимания заслуживают деформационные особенности цементного камня на диаграмме нагружения. Так, цементный камень с прочностью 140,6 МПа показал

предельную сжимаемость 1 перед разрушением 7,08 ‰, а с прочностью 105 МПа – соответственно, 6,42 ‰, что меньше на 9,4 %. При этом модуль упругости цементного камня с RПР 140,6 МПа возрастает с ростом деформаций до относительного уровня напряжения 0,32 (прирост модуля достигает 10 %), а для цементного камня с RПР 105 МПа прирост модуля достигает 18,1 % при 0,29 . Таким образом, в

процессе деформирования цементного камня сравниваемых серий происходит ужесточение его структуры до указанных выше относительных уровней напряжения. Вместе с тем следует отметить противоречивое ужесточение структуры сравниваемых серий образцов цементного камня с В/Ц отношением 0,25 и 0,31, микроструктура которых отличается соответственно практическим отсутствием и небольшим наличием гелевой пористости, что, вероятно, и лежит в основе разной величины ужесточения дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня.

Необходимо отметить и величину проявления продольной относительной деформации пластичности 1ПМ сравниваемых серий образцов цементного камня на уровне

напряжений максимального ужесточения структур. На образцах с RПР 140,6 МПа она составляла 10,75 % от 1 , а на образцах с RПР 105 МПа – 1,77 %. На максимальном уровне напряжений 1ПМ сравниваемых серий составляли, соответственно, 28,2 и 30,4 % от 1 .

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Анализ численных значений коэффициентов и на всех этапах нагружения, отражающих показатели податливости цементного камня к деформациям сравниваемых серий образцов, показывает практически одинаковые значения коэффициентана этапах нагружения и несколько большие значения , соответственно, для образцов с RПР 105 МПа .

Что касается объемного относительного изменения цементного камня и сравниваемых серий цементного камня, то следует отметить, что на всем диапазоне нагружения фиксировали только уменьшение объема. При этом большие численные

значения уменьшения объема показали образцы с RПР 140,6 МПа . В этой связи

параметрические точки RТ0 и RТ не фиксировались, а характер разрушения образцов

обеих серий был весьма хрупкий.

Оценивая численные значения коэффициентов упругости , величин пластичности и упругих характеристик iУ опытных образцов, следует подчеркнуть, что образцы с RПР 105 МПа и В/Ц=0,31 практически на всем диапазоне нагру-

жения показали большие значения коэффициента упругости и меньшие численные значения величины пластичности относительно сравниваемых образцов с прочностью

RПР 140,6 МПа . Лишь на последнем этапе нагружения были зарегистрированы противоположные показания коэффициентов и .

Из анализа численных значений упругой характеристики iУ сравниваемых серий

образцов следует, что более высокие значения упругой характеристики на всем диапазоне нагружения показали образцы с RПР 105 МПа , несмотря на то, что образцы

с RПР 140,6 МПа показали на 14 % более высокое значение модуля упругости, что,

вероятно, также обусловлено различием количества и качества порового пространства цементного камня с неполной гидратацией зерен цемента при В/Ц=0,25 и В/Ц=0,31.

В заключение следует отметить, что совместный анализ деформационных особенностей и структурных изменений цементного камня на диаграмме нагружения с позиций деформируемого твердого тела и полученные при этом новые материаловедческие зависимости свойств позволяют более надежно судить о механическом поведении матричной фазы цементного композита и на этой основе осуществлять условия оптимизации структуры и состояния цементных систем по тем или иным параметрам конструкционной прочности.

Список литературы

1.Ахвердов, И.Н. Теоретические основы бетоноведения / И.Н. Ахвердов. – Минск: Высшая школа, 1991. – 188 с.

2.Пауэрс, Т.К. Физическая структура портландцементного теста: пер. с англ. / Т.К. Пауэрс; под ред. Х.Ф.У. Тейлора // Химия цементов. – М.: Стройиздат, 1969. –

С. 300–319.

3.Невилль, А.М. Свойства бетона: пер. с англ. / А.М. Невилль. – М.: Стройиздат, 1972. – 344 с.

4.Райхель, Б. Бетон: в 2-х ч. Ч. 1. Свойства, проектирование, испытание / Б. Райхель, Д. Конрад: пер. с нем. – М.: Стройиздат, 1979. – 111 с.

5.Методические рекомендации по определению прочностных и структурных характеристик бетонов при кратковременном и длительном нагружении. – М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1976. – 56 с.

6.ГОСТ 24452–80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

References

1.Achverdov, I.N. Theoretical basis of concrete studies betonovedeniya / I.N. Achverdov. – Minsk: Vyscshaja schkola, 1991. – 188 p.

2.Pawers, T.K. The physical structure of Portland cement mortar: trans. from English / T.K. Pawers; ed. H.F.U. Taylor // Cements Chemistry. – M.: Stroyizdat, 1969. – P. 300–319.

3.Nevill, A.M. Properties of concrete: trans. from English / A.M. Nevill. – M.: Stroyizdat, 1972. – 344 p.

4.Rayhel, B. Concrete: 2 parts. Part 1. Properties, design, testing / B. Rayhel, D.Konrad; trans. from German. – M.: Stroyizdat, 1979. – 111 p.

5.Guidelines for the determination of strength and structural characteristics of concrete under short and long-term loading. – M.: NIIZhB Gosstroja SSSR, 1976. – 56 p.

6.GOST 24452–80. Concretes. Methods for determining the prism strength, elastic modulus and Poisson's ratio.