ANALYSIS OF CHANGES IN THE ELASTIC-STRENGTH CHARACTERISTICS OF MODIFIED AND UNMODIFIED FINE-GRAINED CONCRETES DEPENDING ON THEIR WET STATE AND TEST TEMPERATURE

Full Text

Технологии изготовления бетона в современном мире постоянно развиваются. За последние 25 лет созданы бетоны нового поколения с прочностью при сжатии 150 - 200 МПа и более, которые возможно производить на современных бетонных заводах в промышленных масштабах [1]. Помимо традиционной рецептуры мелкозернистого бетона (цемент - песок - вода), одним из приоритетных направлений мирового бетоноведения является использование высокопрочных и ультравысокопрочных цементных бетонов, так называемых High- Strength Concretes (HSC) и Ultra-High-Strength Concretes (UHSC), отличительными особенностями которых являются более высокая дисперсность зернистых компонентов, повышенные значения площадей поверхности раздела фаз, существенно увеличенное число физических и физико-химических контактов в единице объема материала, возросшая плотность, преобладание мелко- и скрытокристаллических сростков новообразований [2, 3]. Особую роль в многокомпонентном составе высокопрочного цементного бетона имеет применение высокоактивных добавок-разжижителей, в том числе суперпластификаторов IV поколения. Это ПАВ-пластификаторы (поверхностно-активные вещества) на основе поликарбоксилатов и акрилатов, обеспечивающих возможность значительного снижения водоцементного отношения и водопотребности бетонных смесей (до 35-40 %), что обеспечивает улучшенные упруго-прочностные характеристики [3]. Авторы работ [4, 5] отмечают, что вследствие особенностей строения высокотехнологичные многокомпонентные бетоны могут быть потенциально более неравновесными и активными по отношению к воздействиям среды в отличие от традиционных трех-четырехкомпонентных бетонов. Особенно это касается температурно-влажностного воздействия в натурных климатических условиях, поскольку при постоянных колебаниях температуры и влажности воздуха нарушается формирование структуры композита, происходит интенсивная гидратация и обезвоживание бетона. В результате снижается его прочность и модуль упругости, возрастают деформации усадки и ползучести. Значительный перепад температуры в течение суток также вызывает неравномерное распределение температурных деформаций и напряжений по сечениям бетона, что сказывается на снижении их трещиностойкости, несущей способности и жесткости, а в целом и на эксплуатационной надежности [2, 4-8]. Из этого следует, что анализ изменения упруго-прочностных характеристик мелкозернистых цементных бетонов различных видов (начиная от «традиционных» трехкомпонентных и заканчивая высокофункциональными бетонами и фибробетонами) с учетом комплексного влияния рецептуры композитов и эксплуатационных температурно-влажностных факторов является актуальной задачей. Для проведения экспериментальных исследований, основываясь не предыдущих работах, были выбраны следующие три вида мелкозернистых бетонов [3, 9-11]: - «традиционный» трехкомпонентный бетон (состав № 1). В качестве вяжущего использовался портландцемент со шлаком класса ЦЕМ II/A-Ш 42,5Н производства «Азия Цемент» Никольского района Пензенской области. Его активность на стандартном вольском песке на момент испытаний составляла 47,9 МПа; мелкозернистый заполнитель - природный кварцевый песок Новостепановского карьера (п. Смольный, Ичалковский район, Республика Мордовия) с размером зерна менее 5 мм - 75 % от массы твердой фазы; водоцементное отношение 0,4; - фибробетон (состав № 2). В качестве вяжущего использовался портландцемент со шлаком класса ЦЕМ II/A-Ш 42,5Н производства «Азия Цемент» Никольского района Пензенской области; мелкозернистый заполнитель - природный кварцевый песок Новостепановского карьера с размером зерна менее 5 мм - 63,4 % от массы твердой фазы; микрокремнезем конденсированный неуплотненный (МК-85) - 11 % от массы вяжущего; полипропиленовое мультифиламентное волокно - 0,62 % от массы вяжущего; суперпластификатор Melflux 6681 F - 1 % от массы вяжущего; водоцементное отношение 0,33; - высокопрочный бетон (состав № 3). В качестве вяжущего использовался портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б производства ПАО «Мордовцемент»; мелкозернистый заполнитель - природный кварцевый песок Новостепановского карьера с размером зерна менее 0,63 мм - 49 % от массы твердой фазы; микрокальцит (МКМ) - 45 % от массы вяжущего; МК-85 - 11 % от массы вяжущего; суперпластификатор Melflux 6681 F - 1 % от массы вяжущего; водоцементное отношение 0,318. Экспериментальные исследования проводились на образцах в виде призм с размерами Т. А. Низина, Д. И. Коровкин, А. С. Балыков, В. В. Володин 73 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 40×40×160 мм. После твердения в нормальных условиях в течение 28 суток образцы были разделены на три группы (по 90 образцов). Первая группа образцов высушивалась до постоянной массы в течение 14 суток при температуре 105 оС, вторая - выдерживалась этот же временной промежуток в нормальных лабораторных условиях (температура воздуха 20 ± 3 °С, влажность - 50 ± 5 %), третья - помещалась в воду для насыщения до постоянной массы. Прочностные характеристики (предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе) определялись на установке WilleGeotechnik® (модель 13PD/401) для испытания строительных материалов [12]. Наличие климатической камеры в указанном прессе позволяет регулировать влажность (от 10 до 96 %) и температуру (от - 40 до + 100 °С) среды испытания. Фиксация полученных в ходе эксперимента результатов и настройка параметров среды испытания осуществлялись с применением программного обеспечения GEOSYS 8.7.8. Полученные результаты экспериментального исследования обрабатывались с помощью методов статистического анализа. При проведении экспериментальных исследований варьируемыми факторами являлись: температура испытаний (-40, -20, 0, +20, +40 °С), влажностное состояние образцов (сухое, равновесно-влажностное, влагонасыщенное) и вид мелкозернистого бетона («традиционный» трехкомпонентный, фибробетон и высокопрочный бетон). Для того чтобы избежать возникновения внутренних напряжений в образцах из-за резких перепадов температуры, композиты перед испытанием помещали в климатическую камеру и устанавливали требуемую для испытания температуру, а также относительную влажность (10, 50 или 90 %). После достижения требуемого уровня климатических факторов композиты дополнительно выдерживались в камере еще в течение часа. По результатам проведенных исследований установлено (рис. 1), что при испытании «традиционного» трехкомпонентного бетона в диапазоне отрицательных температур отмечается заметный прирост прочностных показателей с увеличением влагосодержания бетонных образцов. Предел прочности влагонасыщенных образцов (с содержанием влаги около 6,32 %) на растяжение при изгибе при - 40 °С, соответственно, на 91 и 71 % выше, чем у образцов в сухом и равновесно-влажностном состоянии (с содержанием влаги 2,06 %). Подобное явление в первую очередь связано с образованием в структуре бетона криофазы, вследствие чего сопротивлению развития трещины препятствует не только сам материал, но и образовавшийся в порах лед. Упрочнение происходит за счет затрат дополнительной энергии на разрушение и деформирование ледяных включений, отрыв льда от твердой фазы и т. д. [8, 13]. Кривые изменения прочностных показателей мелкозернистого бетона при воздействии сжимающих нагрузок при температуре испытаний -40 и -20 °С носят подобный характер, однако повышение прочностных показателей происходит, соответственно, всего на 20 и 16 %. Напротив, при испытании цементных композитов при нулевой и положительных температурах наблюдается снижение прочностных показателей с повышением содержания влаги в бетонных образцах (см. рис. 1). Для равновесно-влажностных и влагонасыщенных цементных композитов увеличение температуры способствует усилению эффекта падения прочности, так как из-за снижения вязкости жидкости и облегчения условий смачивания вода, являющаяся адсорбирующим веществом, быстрее проникает к поверхности разрушения в момент образования трещин. Стоит отметить, что композиты в сухом состоянии гораздо меньше подвержены воздействию температурного режима - прочностные показатели практически не изменяются на всем диапазоне исследуемых температур (см. рис. 1). Повышение прочности сухих образцов как при сжатии, так и на растяжение при изгибе с понижением температуры с + 40 до - 40 °С составляет, соответственно, всего 17 и 22 %. При введении в состав цементного композита микрокремнезема конденсированного неуплотненного и суперпластификатора на поликарбоксилатной основе наблюдается значительное повышение предела прочности на растяжение при изгибе для влагонасыщенных образцов по сравнению с образцами в сухом и равновесно-влажностном состоянии. В частности, повышение влажности фибробетона (состав № 2) с 2,38 до 3,76 % приводит к увеличению прочностных показателей для всех исследуемых температур (в ряду от + 40 до - 40 °С) от 1,8 до 2,25 раза (рис. 2, а). Для высокопрочного бетона аналогичный прирост предела прочности на растяжение при изгибе (в 1,8-2,3 раза) наблюдается при повышении влагосодержания образцов с 1,97 до 2,24 % (рис. 3, а). Более низкие значения прочностных показателей при изгибе для образцов в равновесно-влажностном и сухом состоянии, на наш взгляд, объясняются пересушиванием поверхности композитов, возникновением неравновесного температурно-влажностного состояния во внутренних и наружных слоях образцов и, как следствие, появлением в их поверхностных слоях дополнительных растягивающих напряжений. Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 74 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Рис. 1. Изменение предела прочности на растяжение при изгибе (а) и сжатии (б) цементных композитов «традиционного» трехкомпонентного бетона (состав № 1) в зависимости от температуры испытаний и влажностного состояния а б Существенное различие в характере кривых изменения предела прочности на растяжение при изгибе трех исследуемых видов бетона, испытанных в интервале температур от 0 до 40 °С, предположительно объясняется различием в структуре модифицированных и немодифицированных композитов и, как следствие, различным соотношением содержащейся в образцах видов влаги. В частности, в структуре модифицированных мелкозернистых бетонов составов № 2 и 3 преобладает адсорбционная и кристаллизационно-связанная вода, отличающаяся высокой энергией связи со структурой. Напротив, в образцах состава № 1 присутствует большое количество капиллярно-насыщенной и свободной воды, которая слабо связана с твердой фазой немодифицированных композитов. При высушивании образцов «традиционного» трехкомпонентного бетона в сушильном шкафу при температуре 105 °С наблюдается значительное испарение свободной внутренней влаги из всего объема композита. При Т. А. Низина, Д. И. Коровкин, А. С. Балыков, В. В. Володин 75 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 Рис. 2. Изменение предела прочности на растяжение при изгибе (а) и сжатии (б) цементных композитов фибробетона (состав № 2) в зависимости от температуры испытаний и влажностного состояния а б этом происходит выравнивание температурно-влажностного состояния по объему бетона, что предотвращает возникновение концентраций растягивающих напряжений в поверхностных слоях, обуславливающих падение предела прочности при изгибе с уменьшением влажности образцов в модифицированных композитах составов № 2 и 3. Анализ изменения предела прочности при сжатии высокопрочного бетона и фибробетона в зависимости от температурно-влажностных условий показал (рис. 2, б; 3, б), что прочность влагонасыщенных образцов на 5-20 % ниже, чем у сухих и равновесно-влажностных на всем диапазоне температур (рис. 2, б; 3, б). Это объясняется тем, что при введении в состав ультрадисперсного микрокремнезема и суперпластификатора, позволяющего снизить водосодержание бетонных смесей при сохранении высокого уровня их удобоукладываемости, в структуре бетона увеличивается количество наноразмерных пор. При этом сила связи Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 76 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Рис. 3. Изменение предела прочности на растяжение при изгибе (а) и сжатии (б) цементных композитов высокопрочного бетона (состав № 3) в зависимости от температуры испытаний и влажностного состояния а б структуры с водой в порах такого размера настолько высока, что вода в них не замерзает в исследуемом диапазоне отрицательных температур и не принимает на себя часть нагрузки, как у состава № 1. Падение предела прочности при сжатии для фибробетона (состав № 2) в диапазоне температур от -40 до +40 °С в цементных композитах составляет для сухих образцов 19 %, для равновесно-влажностных - 22 %, для влагонасыщенных - 24 % (рис. 2, б). Для высокопрочного бетона падение предела прочности составляет, соответственно, для сухих, равновесно-влажностных и влагонасыщенных - 15, 16 и 18 % (рис. 3, б). Несколько меньшее падение прочностных показателей высокопрочного бетона состава № 3 при увеличении температуры с - 40 до + 40 °С по сравнению с дисперсно-армированным композитом № 2 объясняется, на наш взгляд, рядом рецептурно-технологических отличий - сниженным водосодержанием при Т. А. Низина, Д. И. Коровкин, А. С. Балыков, В. В. Володин 77 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 лучшей удобоукладываемости бетонной смеси, а также более сбалансированным гранулометрическим составом, позволяющим обеспечить повышение плотности упаковки частиц. В связи с этим еще больше по сравнению с немодифицированным бетоном (состав № 1) снижается объем открытых капиллярных пор и, как следствие, уменьшается количество свободной влаги в структуре высокопрочного бетона. Выводы. Проведенный анализ влияния температуры и влажностного состояния образцов при испытании бетонов трех различных составов показал существенное различие в характере влияния на «традиционный» трехкомпонентный и модифицированные цементные бетоны, что необходимо учитывать при проектировании составов цементных бетонов, эксплуатируемых в условиях воздействия натурных климатических факторов. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-29-12036

About the authors

Tatiana A. NIZINA

National Research Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Dmitry I. KOROVKIN

National Research Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Artemy S. BALYKOV

National Research Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir V. VOLODIN

National Research Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files