2255

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS

AND PRODUCTS

УДК 691.327:539.32

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ НА РАННИХ И ПОЗДНИХ СТАДИЯХ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ

И.Н. Максимова, Н.И. Макридин, Е.В. Королев

Представлены результаты обобщающего сравнительного анализа кинетических зависимостей процессов структурообразования конструкционной прочности цементных композитов на ранних и поздних стадиях гидратационного твердения на большом массиве экспериментальных авторских данных во временном диапазоне до 18 лет. Получены более строгие феноменологические модели механических свойств, которые могут быть положены в основу рецептурно-технологической оптимизации структуры и

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

прогнозирования длительной конструкционной прочности цементных гетерогенных дисперсных систем и закономерностей процессов их структурообразования и твердения.

Ключевые слова: цементный композит, ускоряюще-пластифицирующая добавка, структурообразование, твердение, прочность, конструктивный и деструктивный процессы, математические модели кинетических зависимостей

COMPARATIVE ANALYSIS OF KINETIC DEPENDENCIES IN EARLY AND LATE STAGES OF PROCESSES OF STRUCTURAL

FORMATION OF CEMENT COMPOSITES STRUCTURAL

STRENGTH

I.N. Maksimova, N.I. Makridin, E.V. Korolev

A generale comparative analysis of kinetic dependences of the processes of structural formation of cement composites structural strength in early and late stages of hydration hardening on large experimental authors data in time range of up to 18 years has been made. Strict phenomenological models of mechanical properties have been obtained which can be used as a basis for prescription and technological optimization of the structure and predicting the long-term structural strength of cement heterogeneous disperse systems and regularities in the processes of their structure formation and hardening.

Keywords: cement composite, accelerating-plasticizing additive, structuring, hardening, strength, constructive and destructive processes, mathematical models of kinetic dependencies

Проблема нарастания длительной прочности цементной дисперсной системы во времени по своей практической значимости остается в центре внимания отечественных и зарубежных исследователей. Однако в публикациях по этой проблеме в основном рассматриваются ранние стадии процессов гидратационного структурообразования, что же касается поздних, то, как отмечено в работе [1], существует давно сложившееся мнение, что регулирование свойств цементного камня в этот период практически невозможно, хотя в этом имеется необходимость. В современных условиях поиска путей получения и использования в строительной практике бетонов нового поколения (БНП) с очень высокими показателями прочности, однородности и низкой пористости проблема длительной конструкционной прочности БНП приобретает особый научный и практический интерес с позиций как выбора технологической оптимизации структуры, так и прогнозирования свойств композита.

Висследованиях профессора С.А. Миронова с соавторами [2, 3] отмечается, что волнообразные изменения прочности во времени по восходящей линии являются не случайным, а закономерным явлением, обусловленным возникновением внутренних напряжений, снижающих прочность цементного камня от непрерывно идущей гидратации вяжущего, а также от перекристаллизационных процессов, обусловленных изменением фазового состава новообразований с переходом нестабильных соединений

вболее стабильные. В работе [4] отмечается, что фактор времени вызывает в бетоне проявление двух характерных разнонаправленных процессов: процесса нарастания прочности во времени (процесс старения бетона), определяемого физико-химическими изменениями его структуры, и процесса снижения прочности находящегося в напряженном состоянии бетона, связанного с проявлением его реологических свойств – ростом деформаций во времени, приводящим к определенным нарушениям внутренних связей в материале на микро- и макроуровнях.

В[5] приведены кинетические зависимости процессов структурообразования и твердения цементных композитов, отражающие ранние стадии процессов гидратационного структурообразования во временном интервале до 90 суток при использовании бездобавочных и добавочных портландцементов и модифицирующей полифункциональной химической добавки пластифицирующего действия. Анализ процессов структурообразования бетона (в рассматриваемом диапазоне времени) достаточно четко отражает влияние вида портландцемента и концентрации модифицирующей

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

химической добавки ПДО-М на характер изменения прочности Rсж и Rри в

рассматриваемом диапазоне времени.

Обобщение результатов исследований [6–12], в том числе собственных [13–16], позволяет констатировать, что наиболее рациональным способом регулирования структуры и свойств бетонов конструкционного назначения является модифицирование композиционных смесей химическими добавками пластифицирующего действия, а изучение природы механических свойств строительных материалов с позиций механики деформируемого твердого тела (МДТТ) и структурной механики разрушения материалов (СМРМ) [17–25] вызывает настоятельную необходимость широкого внедрения в исследовательскую практику при разработке и создании материалов новых научных принципов комплексной оценки силовых, деформационных и энергетических критериев конструкционной прочности с получением феноменологических математических моделей этих свойств.

В табл. 1 и 2 приведены экспериментально полученные численные значения изменения длительной прочности Rсж и Rри и средней скорости VRри и VRсж изменения

прочности сравниваемых серий бетона в диапазоне времени после пропаривания образцов до 18 лет (6580 суток). Это и являлось целью и задачей нашего исследования по изучению характера изменения длительной прочности модифицированных и немодифицированных структур цементных бетонов, полученных при механических испытаниях опытных образцов сравниваемых серий и испытанных в разные сроки во временном диапазоне 18 лет.

Т а б л и ц а 1

Значения характеристик прочности R и изменения их средней скорости V в контрольные сроки для образцов бетона

на старооскольском портландцементе М500 – Д0

ных и немодифицированных структур сравниваемых серий опытных образцов цементного бетона (табл. 1) следует прежде всего отметить, что применение добавки

ПДО-М приводит к повышению прочности Rри в односуточном возрасте на 33,3 % относительно контрольного состава, тогда как Rсж в этом возрасте возрастает только на 10,4 %. Что касается характера изменения 18-летней прочности Rри и Rсж контрольных образцов относительно прочности Rри и Rсж проектного возраста, то

следует отметить увеличение параметров этих механических свойств соответственно на 89,4 % и в 2,51 раза. Относительно рабочих образцов с добавкой ПДО-М это

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

увеличение для Rри составляло в пределах 68,8–75,8 %, а для Rсж соответственно – на

64,8 % и в 2,32 раза. При этом большие значения увеличения прочности соответствуют однопроцентной дозировке добавки ПДО-М.

Т а б л и ц а 2

Значения прочностных характеристик R и изменения их средней скорости V

в контрольные сроки для образцов бетона на вольском портландцемента М500 – Д20

следует прежде всего отметить, что образцы бетона, полученные на основе вольского портландцемента, то есть цемента с 20 %-й минеральной добавкой, показали заметное

повышение прочности Rри и Rсж в начальные сроки твердения, то есть в возрасте

одних и двадцати восьми суток как на контрольных образцах серии 1, так и на образцах серий 2 и 3 с добавкой ПДО-М. При этом превышение значений Rри как для

контрольных, так и для рабочих образцов составляло соответственно приблизительно 40 % и 14–15 % в односуточном возрасте, 5 % и 13–18 % в 28-суточном возрасте. В 90-

суточном возрасте сброс прочности Rри показали образцы бетона на вольском

портландцементе только при дозировке 2 % добавки ПДО-М, тогда как образцы бетона на старооскольском цементе показали сброс прочности Rри как при дозировке

добавки ПДО-М 1 %, так и при дозировке 2 %.

Относительно характера изменения прочности Rсж во времени сравниваемых се-

рий образцов следует отметить, что минеральная пуццоланическая добавка в вольском цементе оказывала заметное влияние как на величину упрочнения, так и на характер

изменения Rсж во времени. Как следует из экспериментальных данных табл. 2,

модифицирование структуры цементного камня добавкой ПДО-М вольского цемента с пуццолановой добавкой приводит к увеличению прочности сравниваемых образцов после ТВО примерно на 26–42 %, а в возрасте 18 лет модифицированные образцы

показали увеличение Rсж на 87 и 50 % для образцов серий 2 и 3 соответственно

относительно проектного возраста, тогда как для контрольного состава это увеличение составляло 13,4 %.

Из сравнения приведенных в табл/ 1 и 2 численных значений Rсж сравниваемых серий образцов в контрольные сроки следует отметить, что по абсолютной величине

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

наибольшие значения Rсж показали модифицированные образцы бетона на основе

вольского цемента, за исключением контрольного состава в возрасте 18 лет. Математическая обработка экспериментальных данных, представленных в табл. 1

и 2, позволила получить феноменологическое математическое описание процессов структурообразования и твердения сравниваемых серий образцов в возрасте 6580 суток (18 лет).

Общее уравнение

Деструктивный процесс

Значения эмпирических коэффициентов для зависимостей (1) – (7) приведены в табл. 3.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Обработка полученных в наших опытах экспериментальных данных с использованием программных компьютерных математических методов позволяет получать более строгие феноменологические модели механических свойств, которые могут быть положены в основу рецептурно-технологической оптимизации структуры и прогнозирования длительной конструкционной прочности цементных гетерогенных дисперсных систем и закономерностей процессов их структурообразования и твердения.

Список литературы

1.Мчедлов-Петросян, О.П. Поздние стадии гидратации цемента / О.П. МчедловПетросян, В.Л. Чернявский, А.Г. Ольгинский // Цемент. – 1982. №9. – С. 15 17.

2.О структуре и прочности бетона, подвергнутого пропариванию / С.А. Миронов, Л.А. Малинина, О.Е. Королева, В.А. Федоров // Структура, прочность и деформации бетонов. – М.: Стройиздат, 1966. – С. 217–226.

3.Рост прочности бетона при пропаривании и последующем твердении / С.А. Миронов [и др.]. – М.: Стройиздат, 1973. – 95 с.

4.Гениев, Г.А. Практический метод расчета длительной прочности бетона /

Г.А. Гениев // Бетон и железобетон. 1995. № 4. С. 25 27.

5.Максимова, И.Н. О кинетических зависимостях процессов структурообразования и твердения цементных композитов / И.Н. Максимова, Н.И. Макридин // Региональная архитектура и строительство. – 2017. – № 4 (33). – С. 29–35.

6.Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика / В.Г. Батраков. – 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1998. – 768 с.

7.Баженов, Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Ба-

женов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. М.: АСВ, 2006. – 368 с.

8. Тараканов, О.В. Бетоны с модифицирующими добавками на основе вторичного сырья / О.В. Тараканов. – Пенза: ПГУАС, 2004. – 564 с.

9. Структурообразование и разрушение цементных бетонов / В.В. Бабков, В.Н. Мохов, С.М. Капитонов, П.Г. Комохов. – Уфа: ГУП «Уфимский полиграфком-

бинат», 2002. – 376 с.

10.Калашников, В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов / В.И. Ка-

лашников // Технология бетонов. – 2007. – №5. – С. 8–10; №6. – С. 8–11; 2008. – №1. – С. 22–26.

11.Каприелов, С.С. Влияние состава органоминеральных модификаторов серии «МБ» на их эффективность / С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд // Бетон и железобетон. – 2001. – №5. – С. 11–15.