2026

из цементного камня. Составы смесей опытных образцов приведены в табл. 3.12.

Таблица 3.12

Основные характеристики структуры образцов приведены в табл. 3.13.

Толщину цементного теста ( ЦТ ) на развернутой поверхности дисперс-

ной фазы оценивали по формуле (3.8).

Расстояние между соседними зернами дисперсной фазы (d) – как удвоенную толщину ЦТ . Коэффициент раздвижки зерен песка ( aТП ) опре-

141

деляли из отношения объема заполняющего материала к объему пустот в заполняемом сыпучем материале по формуле

где VЦТ – объем цементного теста, м3; VП – объем межзерновых пустот

дисперсной фазы, м3.

Консистенция смесей всех серий образцов, за исключением серии ЦК-2, была нормальной густоты и характеризовалась расплывом конуса на встряхивающем столике в пределах 168...172 мм. При одинаковой удобоукладываемости цементных композиций их В/Ц отношения были существенно различными. Для условий одинаковой удобоукладываемости водопотребность песков в сравниваемых сериях образцов оценивали по формуле Ю.М. Баженова [34]

где ВЦ Ц – водоцементное отношение цементного теста нормальной густоты; ВЦ Р – то же, цементного раствора; n – число частей песка,

приходящихся на одну часть цемента.

После суточного хранения в формах над водой образцы распалубливали и помещали на 27 суток в ванну с водой при температуре воды 20...22 С. Затем образцы в течение 30 суток хранили в естественных лабораторных условиях. Из экспериментальных данных по изменению водосодержания образцов, приведенных в табл. 3.14, видно, что как поглощение воды, так и влагопотери опытных образцов зависят от их состава и структуры.

Испытание образцов проводили в возрасте 59...60 суток. При этом прочностные и структурные характеристики песчаных композитов определяли как при одноосном кратковременном статическом сжатии в соответствии с рекомендациями [28, 37], так и при неравновесных механических испытаниях при оценке вязкости разрушения бетонов по методике [38].

На основании обработки тензометрических измерений, определяли значения коэффициентов поперечной деформации и , объемных относительных изменений и , а по ним находили уровни расположения параметрических точек RT0 и RTv , по О.Я. Бергу, характеризующих

происходящие последовательно процессы уплотнения, разуплотнения и разрушения структуры бетона при осевом сжатии [39]. Важнейшие прочностные, деформативные и структурные характеристики образцов, полученные в результате обработки экспериментальных данных по методике [28, 37], приведены в табл. 3.14 и 3.15.

142

Из данных табл. 3.14 видно, что изменение структуры материала как за счет В/Ц отношения для цементного камня, так и соотношения Ц:П для цементного композита, при постоянной удобоукладываемости приводит к значительным изменениям контролируемых параметров. Так, изменение В/Ц отношения цементного теста от значения 0,25 (нормальная густота теста) до 0,31 приводило, с одной стороны, к уменьшению призменной прочности и модуля упругости соответственно на 22,8 и 12,7 %, а с другой – к увеличению сжимаемости цементного камня на 9,2 %.

Таблица 3.14

Как было отмечено выше во второй главе, анализ характеристик процесса трещинообразования цементного камня показал, что практически на всем диапазоне нагружения он не проявлял характерных признаков возникновения и развития микротрещин в его структуре. Разрушение образцов из цементного камня хрупкоупругое. Подобный характер разрушения с энергетической точки зрения можно объяснить тем, что работа деформации образца практически полностью преобразуется в потенциальную упругую энергию деформации.

При переходе от однокомпонентной структуры цементного камня к двухкомпонентной цементного композита различного состава и разной структуры прочностные, деформативные и структурные характеристики материала претерпевают существенные и принципиальные изменения. Из данных табл. 3.14 видно, что увеличение содержания песка в композитных составах всех серий образцов вызывает снижение значений призменной прочности, модуля упругости, сжимаемости, поперечной растяжимости и

143

уровня расположения параметрической точки RTv , характеризующей уро-

вень прогрессирующего развития микротрещинообразования, а также принципиально изменяет характер разрушения образцов при осевом сжатии. Значения модуля упругости цементных композитов на каждом виде песка однозначно определяются его призменной прочностью, чего нельзя сказать о значениях уровней расположения границ параметри-

ческой точки RTv . На величину абсолютных значений рассматриваемых

механических параметров вид песка оказывает значительное влияние. Как следует из данных табл. 3.13, по мере увеличения содержания

песка в составе цементного композита толщина цементного теста (матричной прослойки ЦТ и d ) между соседними частицами дисперсной

фазы уменьшается, что вызывает повышение неоднородности материала, следствием чего является увеличение интенсивности трещинообразования в структуре материала при его одноосном нагружении. Полученные результаты (табл. 3.14), характеризующие влияние объемного содержания дисперсной фазы, особенности проявления которого обусловлены зерновым составом, формой, рельефом поверхности и дисперсностью мелкого заполнителя, на структуру цементного композита и уровень

расположения параметрической точки RTv , полностью соответствуют кон-

цепции проф. А.А. Гвоздева о возникновении поля возмущений напряжений, обусловленного неоднородностью материала [40].

Характер разрушения образцов при осевом сжатии по мере увеличения в их составе песка становится все более пластичным несмотря на то, что при этом предельная сжимаемость и поперечная растяжимость материала уменьшаются, как это видно на графиках рис. 3.25...3.27.

В табл. 3.15 приведены данные, характеризующие прочностные и деформативные свойства образцов при изгибе. Из анализа экспериментальных результатов, приведенных в табл. 3.15, следует, что механические свойства цементных композитов при трехточечном изгибе также зависят от состава и структуры композита. При этом прочность на растяжение при изгибе образцов всех серий на вольском песке, за исключением образцов состава 1:3, была заметно меньше соответствующей прочности образцов на сурском и константиновском песках, тогда как при осевом сжатии соотношение прочностей было прямо противоположным. В этой связи следует отметить, что менее правильная форма дисперсных частиц заполнителя и их микрошероховатость более предпочтительны для повышения прочностных характеристик композита при изгибе.

Модули деформаций по растянутой и сжатой зонам, вычисленные при уровне нагружения 0,95 Rри , оказались практически равными между собой,

а их абсолютные значения превышают значения модулей упругости при сжатии. Опыты показали, что модули упругости при изгибе примерно в

144

два раза превышают значения модулей деформации при уровне нагружения 0,95 Rпр . Микроскопический анализ поверхностей разрушения

образцов при изгибе показал, что адгезионное сцепление между кварцевым песком и цементным камнем отсутствует. На поверхности разрушения четко просматриваются лунки из-под песчинок, а характер поверхности лунок гладкий, лощеный. Превышение прочности при изгибе цементных композитов на сурском и константиновском песках обусловлено тем, что эти пески имели менее окатанную форму по сравнению со стандартным вольским песком. Из этих данных следует, что при напряженном состоянии изгиба на прочность композита Rри определяющее влияние

оказывает не модуль крупности дисперсной фазы, а форма и состояние поверхности зерен песка.

Таким образом, проведенные исследования позволили получить деформационные закономерности цементно-песчаных композитов как матричного материала бетонов в зависимости от крупности, концентрации, формы и рельефа поверхности природных кварцевых песков. Показано, что все основные деформационные и структурные особенности песчаных бетонов обусловлены особенностями структуры материального цикла: цементный камень – заполнитель, на прочностные особенности которого существенное влияние оказывают форма и рельеф поверхности зерен песка.

145

Рис. 3.25 Деформативность песчаного бетона состава 1:1 при кратковременном осевом нагружении сжатия:

а – константиновский карьерный песок; б – сурский речной песок; в – вольский стандартный песок;

1 и 1’ – соответственно продольная ( 1ПМ) и поперечная ( 2ПМ) относительная деформация кратковременной ползучести; 2 и 2’ – соответственно продольная ( 1УМ) и поперечная ( 2УМ) относительная упруго-мгновенная деформация; 3 и 3’ – соответственно продольная ( 1) и поперечная ( 2)

относительная полная деформация

146

Рис. 3.26. Деформативность песчаного бетона состава 1:2 при кратковременном осевом нагружении сжатия:

а – константиновский карьерный песок; б – сурский речной песок; в – вольский стандартный песок;

1 и 1’ – соответственно 1ПМ и 2ПМ; 2 и 2’ – соответственно 1УМ и 2УМ; 3 и 3’ – соответственно 1и 2

147

Рис. 3.27. Деформативность песчаного бетона состава 1:3 при кратковременном осевом нагружении сжатия:

а – константиновский карьерный песок; б – сурский речной песок; в – вольский стандартный песок;

1 и 1’ – соответственно 1ПМ и 2ПМ; 2 и 2’ – соответственно 1УМ и 2УМ; 3 и 3’ – соответственно 1 и 2

148

Глава 4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ

ИПЛОТНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

4.1.Пористость заполнителей

Вобщем случае, пористость зерен заполнителей состоит из ячеек крупного размера (0,1 мм и более – видимых невооруженным глазом) – макропористость, и ячеек мелкого размера (менее 0,1 мм – видимых под микроскопом) – микропористость, которую часто называют пористостью межпоровых перегородок. На рис. 4.1 показана структура легкого заполнителя марки 250.

Объем ячеистой пористости зависит от пространственного расположения пор (упаковки), распределения их по размерам (сочетания пор различных размеров), максимального и среднего размера пор, их формы, толщины межпоровых перегородок. Наибольшие значения пористости достигаются в условиях гео-

клонение от идеальной гексагональной схемы упаковки пор уменьшают значения ячеистой пористости в зерне.

Реально достижимые пределы пористости и плотности при сферических недеформированных порах (по данным Ю.П. Горлова) приведены в табл. 4.1. Эти данные рассчитаны для пор диаметром 3 мм. При меньшем размере пор объем пористости снижается, а плотность возрастает. Увеличение диаметра пор приводит к повышению объема пористости, а прочность материала при этом снижается и достаточно резко.

Таблица 4.1

П р и м е ч а н и е . Слева от косой черты – для материалов на минеральных вяжущих, справа – на полимерных.

149

Принципиально можно увеличить объем пористости, изменив характер ячеистой структуры и толщину межпоровых перегородок δ. Поры должны иметь разный размер и несферическую форму. Полидисперсный характер распределения пор по размерам при определенных условиях обеспечивает высокую вероятность равномерного размещения пор меньших размеров между порами больших диаметров (см. рис. 4.1) При этом меняются вид решетки (характер упаковки пор) и общая пористость системы.

Для материала с последовательно убывающим размером пор от D до d при определенном отношении dD решетки постепенно переходят из

одинарных в бинарные, затем в тройные и n -мерные с постепенным возрастанием предела пористости.

При четырехмерной решетке удельный объем шаровых пор равен

Дальнейшее уменьшение dD < 0,225 и переход от четырехмерных к

n -мерным решеткам дают ничтожно малый прирост пористости. Таким образом, пористость 81,2 % можно считать пределом плотной упаковки шаровых пор при их соприкосновении. Получение более высоких значений пористости возможно лишь в условиях деформации пор. Если бы поры одинакового размера были идеально деформированы в форму правильных многогранников, то величина пористости определялась бы выражением

Минимально достижимая толщина межпоровой перегородки зависит от среднего размера частиц твердой фазы, плотности упаковки частиц в расплаве и текучести расплава, определяемой его вязкостью и поверхностным натяжением. Наименьшая толщина межпоровой перегородки характерна для полимерных композиций, промежуточная – для керамических материалов и наибольшая – для цементно-песчаных бетонов. К этому необходимо добавить, что образование перегородки толщиной в одно зерно маловероятно, а если она образуется, то прочность и устойчивость ее минимальны. Попытки снизить плотность гранул за счет уменьшения вязкости и поверхностного натяжения расплава ведут к росту размера пор и резкому снижению прочности. Если предположить, что в межпоровых перегородках пористого заполнителя имеются зерна кварцевого песка, то минимально возможная толщина перегородок может достигнуть величин, приведенных в табл. 4.2.