Основы физики твердого тела для строителей

Для высокопрочного бетона серий ВБ-1 и ВБ-2 характерно значительное превышение прочности на растяжение, которая составляет соответственно 2,88 и 3,02 МПа. Рост прочности на растяжение по сравнению с образцами серий 1.1.0 и 5.2.0 составил почти 2,5 раза. Увеличение модуля упругости Ев даже по сравнению с модифицированным бетоном серии 5.2.0 составило 15 %.

Анализ первого этапа деформирования (восходящая ветвь ПРДД) позволяет констатировать, что энергозатраты на стадии микротрещинообразования и формирования концевой зоны магистральной трещины Wm не возросли. Это свидетельствует о том, что диссипативные процессы развития и слияния микротрещин до инициирования квазистатического разрушения в обычном и высокопрочном бетоне происходят без значительных различий. Энергозатраты на упругое деформирование в высокопрочном бетоне серий ВБ-1 и ВБ-2 составили соответственно 5,81·10-2 и 5,84·10-2 Н·м и возросли по сравнению с бетоном серии 1.1.0 не менее чем на 17 %. Таким образом, высокопрочный бетон обладает более высокими упругими свойствами.

Комплексная оценка трещинообразования (способности бетона сопротивляться образованию трещин – докритическая стадия деформирования) производилась по параметрам Gi, Ji, Ki. Удельные энергозатраты на инициирование квазистатического разрушения Gi составили 16,15 Н/м и возросли на 67 %. Квазистатический джей- интег-рал Ji – величина, характеризующая работу пластической деформации и разрушения, а также поле напряжений и деформаций при упругопластическом деформировании вблизи вершины трещины

– воз-рос в ldf раза. Квазистатический коэффициент интенсивности напряжений Ki высокопрочного бетона также выше аналогичного показателя обычного бетона (на 36 %). Таким образом, для высокопрочного бетона характерно значительное увеличение (в 1,5–2 раза) способности сопротивляться образованию трещин.

Анализ сопротивляемости высокопрочного бетона развитию трещин (закритическая стадия деформирования – ниспадающая ветвь) выполнялся по параметрам WI, GF. Энергозатраты на локальное статическое деформирование в зоне магистральной трещины WI высокопрочного бетона составили 50,14·10-2 Н·м и возросли в 2,2 раза. Удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение высокопрочного бетона GF = 93,24 Н/м, что выше

264

аналогичного показателя обычного бетона (44,7 Н/м) в 2,1 раза. Таким образом уста-новлено, что сопротивляемость высокопрочного бетона развитию трещин (трещиностойкость) по сравнению с обычным бетоном выше в 2 раза. Однако это увеличение по сравнению с образцами серии 5.2.0 (бетон, модифицированный суперпластификатором С-3 с использованием его водоредуцирующего действия) не столь значительно, а для серии ВБ-2 абсолютно не существенно.

Хрупкость высокопрочного бетона оценивали по критерию хрупкости Черепанова–Райса. Хрупкость образцов бетона серии ВБ-1 выше по сравнению с образцами серий 1.1.0 и 5.2.0 соответственно

в2,4 и 3,1 раза.

12.4.Разрушение, трещиностойкость и морозосолестойкость высокопрочного центрифугированного бетона

во взаимосвязи со структурой

Действие центробежной силы тем значительнее, чем больше радиус и плотность зерна. В связи с этим более крупные зерна прижимаются к наружной поверхности изделия, а мелкие распределяются ближе к его внутренней поверхности. Поэтому центрифугированный бетон отличается от вибрированного неоднородным распределением зерен заполнителя по высоте изделия. При надлежаще подобранном составе бетона на внутренней поверхности cтенки элемента образуется корка шлама толщиной 0,5– 2 мм, затем идет слой цементного камня, далее – мелкозернистый бетон и затем бетон обычной текстуры.

Такая неоднородность снижает прочность центрифугированного бетона по сравнению с той, какая должна была быть при равномерном распределении зерен заполнителя по всему сечению элемента.

Структуру бетона оценивали на основе данных по кинетике водопоглощения, анализов микроструктуры на оптическом микроскопе для определения интегральной и дифференциальной пористости, на сканирующем электронном микроскопе для выявления особенностей микроструктуры, по изотермам сорбции. Исследования проведены на образцах серии В центрифугированного бетона без добавок (КЦ-1), с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 0,7 % от массы цемента

265

(КЦ-3), с комплексным модификатором С-3 + + ПАЩ-1 (0,7 % + 0,3 %) (КЦ-4) (см. табл. 12.3).

Ввиду анизотропии структуры и текстуры центрифугированного бетона по толщине стенки анализы на оптическом и сканирующем электронном микроскопах проводили по слоям бетона (табл. 12.9–12.11).

Таблица 12.9

Параметры пористости бетона, определенные по кинетике их водопоглощения

Примечание. и – показатели среднего размера и однородности размеров открытых капиллярных пор.

Таблица 12.10

Пористость бетонов, определенная в исследованиях на оптическом микроскопе

266

Примечание. По и Пд – соответственно общая и дифференциальная пористость центрифугированного бетона.

Таблица 12.11

Характеристики структуры слоев бетона, полученные в исследованиях на оптическом микроскопе

Примечание. Н, С, В – соответственно наружный, средний и внутренний слои центрифугированного бетона по толщине стенки; Пд – дифференциальная пористость слоев центрифугированного бетона.

Показатель среднего размера пор центрифугированного бетона серии КЦ-3 с добавкой С-3 в четыре раза меньше по сравнению с бетоном серии КЦ-1 без добавок (см. табл. 12.9). Это свидетельствует о снижении капиллярной пористости, характеристикой которой он является, и указывает на возможное повышение морозостойкости, которая в значительной степени определяется размерами и количеством капиллярных пор.

Результаты испытаний подтверждают повышенную морозостойкость бетона с добавкой суперпластификатора. Марка

267

по морозостойкости центрифугированного бетона серии КЦ-3 составила F 600, тогда как серия КЦ-1 – только F 100. Основой этого эффекта явля-ется снижение В/Ц на 25 % в бетонной смеси с добавкой С-3 при равной подвижности с бетонной смесью без добавок.

Для образцов серии К4 и КЦ-4, отформованных вибрированием

и центрифугированием, значение составило соответственно 0,5 и 1,14. При этом морозостойкость вибрированных образцов из бетонной смеси, модифицированной С-3 + ПАЩ-1, соответствовала марке F600, а центрифугированных – F400.

Вибрированные образцы серии К1 и КЗ характеризовались марками по морозостойкости соответственно F100 и F300. Несколько меньшая морозостойкость центрифугированного бетона с комплекс-ной добавкой определяется избыточным воздухововлечением.

Характеристики пористости, измеренные оптическим методом (см. табл. 12.10, 12.11), свидетельствуют об уменьшении капиллярной пористости в центрифугированном бетоне, модифицированном как суперпластификаторами, так и комплексной добавкой. Кроме того, эти исследования выявили различие в структуре контактной зоны на границе с заполнителем для образцов серии КЦ-1 и серий КЦ-3 и КЦ-4. У образцов серии КЦ-1 прилегание неплотное (зазоры до 200–500 мкм, цепочкообразные поры). Во всех случаях нарушение сцепления наблюдается по контакту, обращенному только к на-ружной поверхности центрифугированного элемента кольцевого се-чения. Контактная зона образцов КЦ-3 и КЦ-4 отличается плотным прилеганием растворной части к крупному и мелкому заполнителю.

При центрифугировании в процессе отжатия шлама при уплотнении бетонной смеси образуются радиально направленные каналы и неравномерно распределяется заполнитель по толщине стенки из-делия. Пути миграции влаги, представляющие собой радиально на-правленные каналы в растворной части внутреннего слоя, в наружном и среднем слоях огибают крупный и мелкий заполнитель. Неплот-ное сцепление по контакту с заполнителем и его ориентации к наружной поверхности, выявленные в исследованиях структуры, связаны с уплотнением под воздействием

268

центробежной силы цементного теста и цементного раствора в промежутках между зернами мелкого и крупного заполнителя, что приводит к отделению воды именно у их поверхностей, обращенных в наружную сторону. В бетонных смесях с добавками снизилось водосодержание за счет пластифицирующего эффекта, при этом значение (В/Ц) приблизилось к значению Kн.г. Количество свободной жидкости в смеси с добавками значительно меньше, и при центрифугировании фильтрационные каналы либо не образовались вообще, либо стали более тонкими. В этом причина плотной контактной зоны в образцах серий КЦ-3 и КЦ-4. Равномерное распределение заполнителя по толщине стенки указывает на изменение процессов уплотнения в бетоне с использованием суперпластификатора С-3 при формовании центрифугированием. В этом случае меньшую роль играет отжатие и движение свободной воды в уплотняемой смеси и большую – перемещение связной массы цементного раствора.

Причина указанного явления заключается в реологических свойствах бетонной смеси, когда при использовании водоредуцирующего эффекта суперпластификатора В/Ц бетонной смеси снижается на 25 %, водоцементное отношение близко к значению Kн.г. При этом повышается вязкость цементного теста, что исключает сепарацию в процессе центрифугирования и способствует получению более однородного бетона. Этот эффект для центрифугированного бетона наблюдается в определенном рецептурно-технологическом диапазоне.

Анализ характеристик структуры бетона по изотермам сорбции (табл. 12.12) свидетельствует о более значительном разуплотнении при ЦЗО среднего и внутреннего слоев.

Таблица 12.12

Характеристики структуры слоев бетона, полученные по изотермам сорбции

269

Примечание. Н, С, В – соответственно наружный, средний и внутренний слои центрифугированного бетона по толщине стенки.

Новые данные, характеризующие свойства наружного и внутреннего слоев, получены на основании полностью равновесных диаграмм деформирования (табл. 12.13; рис. 12.10–12.12).

270