Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Опыт применения декоративных бетонов в строительстве 7
Глава 2. Исходные материалы, аппаратура и методики исследований 50
2.1. Характеристики исходных материалов 50
2.2. Аппаратура и методики исследований 52
2.2.1. Методика определения прочности и деформативных свойств при кратковременном нагружении 53
2.2.2. Методика определения коэффициента интенсивности напряжений бетона 56
2.2.3. Методика определения тепловыделения цементных систем 56
2.2.4. Методика определения контракции цементных композиций 59
2.2.5. Дилатометрический метод исследования структуры 61
2.2.6. Методика определения удельной поверхности цемента 64
2.2.7 Метод трехстадийного насыщения водой 66
Глава 3. Разработка технологии, обеспечивающей получение декоративных бетонов, имитирующих горные породы 67
3.1. Теоретическое обоснование формирования структуры декоративных бетонов с повышенными эксплуатационными свойствами 67
3.2. Разработка способа приготовления декоративных бетонных смесей 71
3.3. Исследование процесса раннего структурообразования декоративных бетонов з
3.4. Исследование влияния тепловлажностной обработки на свойства декоративных бетонов 80
Выводы по третьей главе 87
Глава 4. Исследование структуры и свойств декоративных бетонов 89
4.1 Выбор составов бетонов для исследований 89
4.2 Исследование структуры и физико-механических свойств декоративных бетонов 90
4.2.1. Прочность при сжатии и водопоглощение 90
4.2.2. Цветовые характеристики декоративных бетонов 90
4.2.3. Исследование структуры прочностных и деформативных свойств, трещиностойкости и морозостойкости декоративных бетонов 91
Выводы по четвертой главе 104
Глава 5. Разработка рекомендаций по производству изделий из декоративного бетона и опытно-промышленное опробование 109
Основные выводы 112
Литература 1
- Методика определения прочности и деформативных свойств при кратковременном нагружении
- Дилатометрический метод исследования структуры
- Исследование процесса раннего структурообразования декоративных бетонов
- Исследование структуры прочностных и деформативных свойств, трещиностойкости и морозостойкости декоративных бетонов
Методика определения прочности и деформативных свойств при кратковременном нагружении
Современная архитектурная застройка предъявляет повышенные требования к отделочным материалам. Наибольшее распространение получили облицовочные материалы из горных пород потому, что они обладают высокой механической прочностью и морозостойкостью, поддаются механической обработке. Однако применение горных пород ограничивается из-за их высокой стоимости. В России и в ряде зарубежных стран проводятся широкие исследования по получению новых долговечных облицовочных и отделочных материалов, улучшающих декоративно-художественный вид и повышающие эксплуатационные свойства зданий и сооружений.
Изделия наружной отделки находятся в более сложных условиях работы по сравнению с другими элементами конструкций. Они одновременно испытывают влияние климатических факторов и механических напряжений. В процессе эксплуатации под влиянием колебаний температуры, влажности воздуха, воздействия ветра, осадков и солнечной радиации, бытовых и промышленных "примесей" в атмосфере (пыли, копоти, сажи), воздействия статической нагрузки, термоупругих и усадочных напряжений, на поверхности отделочных материалов наблюдаются различные дефекты [1-9]
К общим требованиям, которым должны удовлетворять соответствующие показатели отделочных материалов и изделий, следует отнести санитарно-гигиенические, долговечности, эксплуатационно-технические, эстетические, требования индустриальности и технологичности в получении, а также экономической эффективности [1] .
Наиболее распространенными материалами для наружной отделки и облицовки зданий и сооружений являются декоративная керамика, каменные материалы, бетоны и растворы.
Совершенствование процесса производства керамики привело к появлению высококачественных облицовочных изделий. Благодаря тому, что керамика долговечна, разнообразна по цвету и фактуре и создание различных комби наций из нее практически не ограничено, производство и применение фасадной керамики ежегодно увеличивается, она занимает одно из ведущих мест среди отделочных материалов. Однако в результате недостаточно прочного сцепления облицовки с поверхностью стен, а также различных деформативных свойств материалов под действием напряжений, возникающих в растворе, образуются трещины. Под влиянием атмосферных осадков и изменений температуры сеть трещин увеличивается и облицовка изделия разрушается [2,3,7,8].
Большое развитие и применение получили декоративно-отделочные бетоны и растворы. В настоящее время их рассматривают как конструкционно-отделочные материалы, применяемые в заводских условиях для изготовления бетонных и железобетонных изделий с готовой лицевой поверхностью. Благодаря использованию белых и цветных горных пород палитра отделочных бетонов и растворов значительно расширилась. На основе различных минеральных вяжущих в сочетании с цветными заполнителями изготавливают полуфабрикаты - сухие смеси для лицевой отделки блоков, панелей и других конструктивных элементов зданий и готовые изделия с отделанной лицевой по-верхностью [4,5,10,11,12].
Бетонные и растворные смеси наиболее прочно сцепляются с изделиями, так как они сходны с ним по составу и свойствам. Дефекты в облицовке образуются в результате нарушения технологии производства отделочных работ, появления инфильтрационных пятен, побежалостей, выцветов. При любых механических воздействиях из-за малой прочности отделочного слоя может наблюдаться неравномерный износ отделки.
Особенно в тяжелых условиях работы находятся цокольные плиты, подверженные влиянию атмосферных факторов, а также влиянию растворов соли, применяемой для борьбы с гололедом.
Чаще всего деформации отделочного слоя происходят в связи с проникновением воды в поры поверхности бетонного или растворного слоя. В результате воздействия воды в отделочном слое развиваются напряжения, которые вызывают деформации и разрушения. Этот процесс объясняется кристаллизацией солей на границе отделочного слоя и самого изделия. Растрескивание отделочного слоя может наблюдаться в результате осадки зданий. Большой не репад температуры внутри и снаружи здания, увлажнение и быстрое высыхание, нагревание и охлаждение отделочного слоя также ведут к развитию деформаций и образованию трещин в отделочном слое.
Все эти дефекты отделочных материалов значительно ухудшают внешний вид зданий. При современной тенденции к увеличению этажности проблема периодического восстановления фасадов стоит особо остро. В работах [2,3,10] приводятся данные по стоимости различных широко используемых в современном строительстве видов отделки, где учитываются не только единовременные затраты на изготовление отделочных покрытий, но и эксплуатационные расходы по уходу за фасадами.
В работе Пискарева В.А. [2] приводится таблица стоимости различных видов фактурной отделки с учетом периода эксплуатации за 50 лет.
Как свидетельствуют данные при учете эксплуатационных расходов на 50 лет срока службы зданий, отделка декоративными бетонами оказывается одной из наиболее дешевых.
Для получения декоративных отделочных материалов и изделий широко используются белые и цветные цементы [10,11,12,13 ]. Однако в процессе испытаний таких цементов [14] оказалось, что при гидратации они обнаруживают изменение цвета, выражающееся в посветлении, а иногда, и в изменении цветового тона по сравнению с исходным клинкером, что обусловлено химическим процессами.
Цветные цементы также получают при совместном помоле белого (или серого) портландцементного клинкера и минеральных или органических пигментов. Достоинства данного способа заключаются в возможности получения широкой цветовой гаммы от насыщенных ярких до светлых тонов и в простоте их производства. Недостатком данного способа является необходимость получения белого портландцементного клинкера из сырья определенного состава.
Дилатометрический метод исследования структуры
Французские исследователи [132,134] проводили эксперимент по пропитке нагретых до разной температуры образцов бетона составом, включающим стирол и полиэфирную смолу в соотношении 1:1. Температура состава изменялась от 15 до 80С. Результаты исследований показали, что наибольшая глубина пропитки достигается при температуре изделия 70-80С, а пропиточного состава - 20-25С. В процессе эксперимента установлено, что приблизительно через 3 часа после начала пропитки происходит уменьшение толщины пропитанного слоя. Авторы объясняют это явление поглощением пропиточного состава мелкими порами из более крупных при градиенте давления, вызывающем перемещение пропиточного состава вглубь бетона. Этот способ практически не применим для пропитки бетона мономерами типа ММА поскольку температура изделия превышает температуру разложения инициатора полимеризации. Поэтому частое нагревание пропиточного состава может привести к его ускоренной полимеризации и потери технологических свойств особенно при МНо-гократном использовании
В США разработан способ поверхностной пропитки бетона, согласно которому поглощение мономера происходит из слоя мелкозернистого песка толщиной до 5 мм, уложенного на поверхность обрабатываемого изделия [1351 . По окончании обработки песок удаляется. Поглощение пропиточной композиции из пористого материала приводит к значительному снижению потерь мономера на испарение и повышению качества поверхности изделия, что особенно важно при обработке крупноразмерных конструкций, например, элементов плотин, настилов мостов, полотна дорог и т.д. В то же время этот способ отличается большой длительностью и повышенным расходом пропиточного состава, который адсорбируется на поверхности зерен песка. Более эффективным в этом отношении является способ при котором в качестве пористого материала используются растворимые в мономере вещества также поглощаемые бетоном [136]. Поверхностная пропитка изделий из монолитного бетона низковязкими мономерами может также производиться путем нанесения на их поверхность пропиточного состава кистью или пневматическими разбрызгивателями. Мономер можно наливать на поверхность конструкций, а затем укрывать их песком или полимерной пленкой [57, 135] . Эти способы при простоте технологии также отличаются повышенным расходом пропиточного состава и большой длительностью процесса пропитки.
Известны также пропитки полых изделий методом прососа [52] , а также пропитка бетона в растянутом состоянии [115]. Эти способы позволяют повысить степень насыщения бетона, но имеют ограниченное применение из-за сложности технологии.
Для обработки плит для полов разработан способ поверхностной пропитки методом "контактной оболочки" [137]. Сущность этого метода заключается в том, что изделия пропитываются в кассетах с подвижными бортами. Перед пропиткой борта раздвигаются и, в образующуюся полость заливается пропиточный состав. По мере пропитки изделия производится поджатие бортов оболочки, а после окончания пропитки борта занимают исходное положение и производится термокаталитическая полимеризация мономера. Главным недостатком данного способа является низкая производительность пропиточного оборудования.
Таким образом модификация декоративных бетонов различными материалами делает их более прочными и долговечными. Однако большинство пропиточных композиций обладают рядом существенных недостатков; таких как дефицитность, токсичность, взрывоопасность, большая вязкость, трудная технология, высокая стоимость пропиточного оборудования и др. Все это делает пропитку декоративных бетонов дорогам и трудоемким процессом.
В МГСУ Мануйловой Е.Н. [138] предложено вместо мономеров использовать в качестве пропиточных составов технические растительные масла, входящие в группу высыхающих.
Разработана технология модификации декоративных бетонов техническим растительным маслом, заключающаяся в нагревании масла до 130-140С, сушке изделий при температуре 180-200 С, их последующей пропитке на за 48 данную глубину и полимеризации пропитанных изделий при 180-200С в течение 6-8 часов. В работе получены также многофакторные зависимости прочности и морозостойкости декоративных бетонов от количества поглощенного масла, расхода цемента, воды, активности вяжущего, а также от состава и структуры бетона.
Получены декоративные бетоны, имитирующие горные породы (габбро, диабаз, базальт, гранит, известняк) высокой прочности и морозостойкости.
Таким образом, проведенный анализ производства и применения декоративных бетонов в строительстве показал, что наиболее эффективными искусственными каменными материалами, имитирующими горные породы, являются декоративные бетоны со вскрытой внутренней структурой материала. При этом важным является равномерное распределение зерен заполнителя в объеме бетона. Этого можно достигнуть только при определенной непрерывной гранулометрии заполнителя из данной породы. В этом случае исключается применение в качестве мелкого заполнителя кварцевого песка, так как при механической обработке будет наблюдаться либо выкрашивание песка, либо изменения тона исходной горной породы. Следовательно, для получения равномерной текстуры декоративного бетона необходимо использовать заполнитель всех фракций только из исходной горной породы. Для имитации природных каменных материалов необходимо, чтобы цементный камень имел цвет соответствующий тону горной породы. Это достигается использованием минеральных или органических пигментов стойких в щелочных средах.
Исследование процесса раннего структурообразования декоративных бетонов
В натуральном выражении переменных Ц = 5,86 - 0,0052Т, + 0,01X2 - 0,0006Тз +0,000035Т,2 - 0,000015Т22 --0,00002X3 + 0,00002Т,-Т2 + 0,0000016ТГТ2 + 0,0000024ТГТ2 На графике (рис. 3.3) представлены изолинии прочности на изгиб в зависимости от времени обработки заполнителя (Xi) и времени перемешивания части цемента с микрокремнеземом (Т2). Время Хз принято постоянным, равное 40с.
Хаким образом, наиболее эффективным способом приготовления декоративных бетонных смесей является предварительная обработка заполнителя в турбулентном смесителе с 25-30 % воды затворения с С-3 в течение 1,5-2 мин с последующим введением добавки микрокремнезема с частью цемента и перемешиванием в течение 0,5-0,7 мин, и перемешивание остального количества цемента и воды с С-3 и пигментом в течение 0,5-0,7 мин. 3.3.
Процесс формирования структуры цементных композиций имеет два характерных периода. Первый период характеризуется тем, что продукты гидратации цемента гелеобразны. Это особо мелкие частицы волокнистой, войлоко-образной и пластинчатой форм, заполняющие пространство между зернами цемента. Они формирует коагуляционную структуру в виде рыхлого каркаса, своеобразную пористую матрицу, которая постепенно заполняется продуктами гидратации [143, 144, 145, 146, 147].
Второй период процесса раннего структурообразования характеризуется резким увеличением прочности. Это происходит за счет роста новообразований и процесса кристаллизации внутри сложившегося первоначального каркаса. К концу периода формирования структуры происходит резкий переход от пласти-ческо-вязкой цементной системы к хрупкому твердому телу - цементному камню.
Структура цементной системы, сложившаяся к концу первого периода, оказывает существенное влияние на структуру и свойства цементного камня. Процесс формирования структуры определяется, главным образом, наличием трех фаз в этих системах: твердой, жидкой и газообразной. Количественное соотношение между этими фазами оказывает значительное влияние на распределение и формы связи в бетоне и, тем самым на свойства смесей, а также на физико-химические процессы, проходящие при гидратации цемента.
Исследование процесса раннего структурообразования декоративных бетонов, приготовленных предложенным способом и обычным, производили по изменению предельного напряжения сдвига, скорости прохождения УЗК, контракции и тепловыделения.
Были исследованы бетонные смеси, приготовленные на Подольском цементе марки 400, гранитном щебне фракции 5-20 мм и песке, полученном из исходной горной породы, с добавкой порошкообразного микрокремнезема 8% от массы цемента и суперпластификатора в количестве 0,6% от массы цемента. Состав бетона был следующий: цемент 450 кг, вода - 100 кг, гранитный щебень фракции 5-20 мм. Зависимости, представленные на графиках (рис.3.4, 3.5 и 3.6) показывают, что интенсивный рост пластической прочности, увеличение скорости прохождения ультразвуковых колебаний, контракции и тепловыделения наблюдается в бетоне, приготовленном предложенным способом, несколько раньше, чем приготовленным обычным способом. Объяснить это явление возможно тем, что структура бетонной смеси существенно изменяется при приготовлении бетонной смеси в модернизированном турбулентном смесителе.
Происходит механо-химическая активация компонентов декоративной бетонной смеси. Очищается и оголяется поверхность зерен заполнителя, она становится более химически активной, гомогенизируется и активируется смесь портландцемента, микрокремнезема, пигмента в присутствии суперпластификатора, что ведет к интенсификации процессов растворения, коллоидации и кристаллизации новообразований.
Такая активация смеси оказывает существенное влияние на начальный процесс структурообразования, приводя к сокращению периода формирования структуры.
В дальнейшем при твердении происходит перераспределение воды в бетоне. Вода, имеющая физико-механическую связь, после периода формирования структуры, связывается химически и адсорбционно образующимся гелем. Однако эта физико-химически связанная вода является главной причиной образования капиллярных пор, вследствие явления внутренней седиментации, которые ослабляют контактную зону между цементным камнем и заполнителем.
Исследование влияния тепловлажностной обработки на свойства декоративных бетонов Исследованиями ставилась задача выявить оптимальные режимы тепловлажностной обработки декоративных бетонов, приготовленных в модернизированном турбулентном бетоносмесителе. При этом оптимальные режимы должны обеспечивать максимальную прочность. Состав декоративной бетонной смеси был принят такой же, как при исследовании процесса раннего структурообразования.
Исследование структуры прочностных и деформативных свойств, трещиностойкости и морозостойкости декоративных бетонов
Исследование структуры и физико-механических свойств декоративных бетонов. 4.2.1. Прочность при сжатии и водопоглощение В процессе эксперимента определяли прочность при сжатии и водопоглощение декоративных бетонов. Данные представлены в табл.4.3 и 4.4.
Цветовые характеристики декоративных бетонов Для образцов, представленных в табл.4.4, определяли также цветовой фон (к), насыщенность (Р) и светлоту (ip), которые являются цветовыми характеристиками материала [142].
Результаты испытаний приведены в табл.4.5. Различные виды обработки декоративных бетонов приводят к изменению их цветовых характеристик. В зависимости от рода фактурной обработки гранит имел следующие значения насыщенности и светлоты (см.табл.4.6). Цветовые характеристики исходных материалов и декоративных бетонов
Приведенные исследования декоративных бетонов, приготовленных на граните, габбро, известняке имеют высокие эксплуатационные характеристики и по декоративной выразительности не уступают исходным горным породам.
Исследование структуры прочностных и деформативных свойств, трещиностойкости и морозостойкости декоративных бетонов. Были проведены систематизированные исследования структуры прочностных, деформативных свойств, трещиностойкости и морозостойкости декоративных бетонов.
Изготовляли образцы-кубы 10x10x10 см и призмы 10x10x40 см (часть из которых выполнялась с надрезом для определения вязкости разрушения). Ис-пытывались образцы после тепловлажностной обработки через 7 суток.
Определяли общую и групповую пористости по трем степеням насыщения, кубиковую и призменную прочности, параметрические точки процесса микротрещинообразования при статическом нагружении, морозостойкость, приведенное удлинение и коэффициент интенсивности напряжений по описанным во второй главе методикам.
В результате математической обработки экспериментальных данных получены зависимости прочности и морозостойкости исследованных бетонов от величины и характера пор, а также параметров, характеризующих трещино-стойкость бетона.
Характерной особенностью исследованных бетонов, приготовленных по разработанному способу, является то, что они имеют иную контактную зону между цементным камнем и заполнителем по сравнению с обычным бетоном. Как известно, контактная зона между цементным камнем и заполнителем в обычных бетонах является наиболее слабым звеном, так как имеет меньшую прочность и повышенное содержание капиллярных пор.
В результате предварительной обработки заполнителя в модифицированном турбулентном смесителе существенно улучшается сцепление цементного камня с заполнителем и резко изменяются состав новообразований и характер пор. Об этом свидетельствуют данные по определению групповой пористости по трем степеням насыщения. На свойства больше всего влияют поры второй группы, характеризующие, главным образом, объем капиллярных пор. Значения пористости исследованных бетонов представлены в табл.4.8.
Введение микрокремнезема и суперпластифицирующей добавки С-3 спо собствуют снижению содержания макропор и увеличению прочности при сохранении высокой подвижности бетонной смеси. Объем макропор в бетоне зависит от степени гидратации цемента в бетоне, то есть от условий твердения. Степень гидратации определяли рентгенографическим способом. Для исследованных бетонов она составила 0,4-0,5.
Таким образом, декоративные бетоны с В/Ц менее 0,45 и макропористостью (капиллярной) не более 4%, согласно требованиям ГОСТ 4795-74 и СНиП П-28-73 следует отнести к особо плотным.
Склонность бетона к растрескиванию характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений (Кс), который в свою очередь связан с основным дефектом бетона - порами, наличие которых вызывает наибольшую концентрацию напряжений. Поэтому была установлена зависимость Кс от общей пористости бетона, имеющая вид: Кс = 4,96 - 0,21По + 0,004 П02I Установлена связь параметров процесса микротрещинообразования с коэффициентом интенсивности напряжений (К). При приготовлении декоративной бетонной смеси в модифицированном турбулентном смесителе снижается капиллярная пористость бетона, что ведет к повышению уровней напряжений Р и Рт и в то же время тормозит развитие трещин. Эта зависимость описывается уравнением: Ке = 2,79 - 0,4(R,/ R„p) + 1,4(RT/ R„p) В табл.4.9 представлены данные о морозостойкости исследованных декоративных бетонов, которые характеризуются, как указывалось выше, высокой плотностью и прочностью, и, как следствие, высокой морозостойкостью. Зависимость морозостойкости от пористости второй группы описывается следующим уравнением: М = 359 + 68,5П2-27П22.
Зависимость высокой морозостойкости бетонов от их капиллярно-пористого строения также подтверждают дилатометрические исследования. Кривые температурных деформаций водонасыщенных бетонов имеют, как правило, аномалии, вызванные фазовым переходом воды, находящейся в порах материала, знак и величина отклонений от дилатометрической кривой сухого образца зависят от строения бетона. Поэтому была использована величина "приведенного удлинения", характеризующая температурную деформацию водона-сыщенного бетона относительно сухого. Результаты дилатометрических исследований бетонов показали, что с уменьшением пористости второй группы, уменьшается величина приведенного удлинения в области температуры от О до -10С(рис.4.1-4.6).
В замораживаемом бетоне лед образуется сначала в крупных, а затем в мелких порах вследствие разной способности воды, заключенных в этих порах, переходить в лед. Увеличение величины приведенного удлинения в области температуры от О до -10С вызвано переходом воды в лед, находящейся в капиллярных порах. Чем выше капиллярная пористость, тем выше дилатометрический эффект.
В результате проведенных дилатометрических исследований установлена зависимость морозостойкости декоративных бетонов от величины "приведенного удлинения". Показано, что уменьшение капиллярной пористости приводит к уменьшению величины "приведенного удлинения" и повышению коэффициента интенсивности напряжений, которые четко отражают дефектность структуры декоративного бетона.
