Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. рабочая гипотеза 10
1.1 Особенности и опыт эксплуатации малоразмерных изделий для дорожного строительства. Системный анализ условий их эксплуатации 10
1.2 Особенности технологии производства малоразмерных изделий 4 для дорожных покрытий 28
1.3 Особенности структурообразования и свойства мелкозернистого бетона с низким водоцементным отношением 23
1.4 Роль вяжущего в структурообразовании и регулировании физико-механических свойств мелкозернистых жесткопрессованных бетонов 28
1.5 Роль низкомодульных минеральных компонентов в структурообразовании и регулировании физико-механических свойств бетонов 33
1.6 Деформации и разрушение бетона при ударе. Роль демпфирующих добавок в повышении ударной прочности бетона 40
1.7 Выводы 45
1.8 Рабочая гипотеза. Цель и задачи исследований 46
2. Методика исследований 48
2.1 Обоснование выбора сырьевых материалов и оценка их качества 48
2.2 Выбор вида, размеров и количества опытных образцов 55
2.3 Приготовление формовочных смесей и изготовление опытных образцов 57
2.4 Методика испытаний опытных образцов 60
2.5 Математическое планирование экспериментов и обработка полученных результатов 65
2.6 Физико-химические методы исследования макро-и микроструктуры жесткопрессованных композиций с добавками
зольных микросфер 66
З Структурообразование и свойства жесткопрессованных композитов с пористыми демпфирующими добавками 68
3.1 Анализ основных структурообразующих процессов при жестком прессовании мелкозернистых бетонов с демпфирующими добавками 68
3.2 Роль вяжущего и его активации в формировании структуры жесткопрессованных бетонов 74
3.3 Влияние вида и зернового состава заполнителя на структурообразование и свойства жесткопрессованного бетона 81
3.4 Рецептурно-технологические факторы и их влияние на структурообразование и свойства жесткопрессованного мелкозернистого бетона 86
3.5 Роль демпфирующей добавки в структурообразовании
и формировании свойств жесткопрессованных бетонов 91
3.6 Выводы 99
4 Анализ структуры и показателей назначения мелкозернистых жесткопрессованных бетонов 102
4.1 Физико-химические исследования микро- и макроструктуры жесткопрессованных бетонов с демпфирующей добавкой зольных микросфер 102
4.2 Анализ совместного влияния рецептурно-технологических факторов на свойства жесткопрессованого мелкозернистого бетона 108
4.3 Деформативные свойства жесткопрессованного мелкозернистого бетона 117
4.4 Исследование коррозионной стойкости мелкозернистого бетона жесткого прессования 123
4.5 Исследования ударной прочности и истираемости мелкозернистого бетона жесткого прессования с добавками зольных микросфер 128
4.6 Выводы 133
5 Практическое приложение результатов работы 137
5.1 Методика назначения номинального состава формовочной смеси для изготовления малоразмерных изделий из жесткопрессованного бетона с добавкой зольных микросфер 137
5.2 Содержание технических условий на производство брусчатки бетонной прессованной повышенной ударной стойкости 141
5.3 Технологический регламент на производство малоразмерных прессованных дорожных изделий из мелкозернистых смесей с демпфирующей добавкой 143
5.4 Выпуск опытной партии изделий и результаты наблюдений за их эксплуатацией 154
5.5 Оценка технико-экономической эффективности использования демпфирующей добавки зольных микросфер в производстве брусчатки для дорожных покрытий 157
5.6 Выводы 167
Общие выводы 168
Библиографический список
- Особенности и опыт эксплуатации малоразмерных изделий для дорожного строительства. Системный анализ условий их эксплуатации
- Обоснование выбора сырьевых материалов и оценка их качества
- Анализ основных структурообразующих процессов при жестком прессовании мелкозернистых бетонов с демпфирующими добавками
- Физико-химические исследования микро- и макроструктуры жесткопрессованных бетонов с демпфирующей добавкой зольных микросфер
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы все большее распространение получают малоразмерные дорожные изделия (брусчатка, тротуарная плитка и др.) для устройства переездов, тротуаров, посадочных площадок и садово-парковых дорожек в дорожном и коммунальном строительстве. Их отличает практичность, эстетическая выразительность, простота монтажа и замены при ремонтах. При эксплуатации таких изделий бетон подвергается не только интенсивным механическим воздействиям (удару, динамическим нагрузкам, истиранию и пр.), но и, находясь в водонасыщенном состоянии, чередующимся циклам замораживания и оттаивания, да еще и в присутствии солей-электролитов. Такая сложная комбинация внешних воздействий может вызвать преждевременный выход изделий из строя, что и подтверждается многолетним опытом. Наличие дефектов чаще можно наблюдать на участках дорог с интенсивным движением пешеходов и транспорта (магистральные улицы, переезды через трамвайные пути, подъемы и спуски, грузонапряженные полы машиностроительных цехов и пр.). Анализ причин их появления и развития в бетонных изделиях указывает не только на недостаточную ударную прочность материала, но и на необходимость повышения требований к его коррозионной стойкости.
При современной технологии изготовления малоразмерных дорожных изделий (литьевая, вибро- и жесткого прессования) используют бетонные смеси с низким водоцементным отношением и ограниченной наибольшей крупностью качественного заполнителя. Назрела необходимость поиска эффективных приемов повышения качества бетона, способных не только увеличить ударную прочность, но и положительно влиять на другие механические свойства (прочностные, износостойкость и пр.), морозо- и коррозионную стойкость. Перспективной следует признать технологию жесткого прессования мелкозернистого бетона для получения изделий, в том числе и с высокой распалубочной прочностью, что позволяет отказаться от дорогостоящей опалубки и тепловлажностной обработки изделий.
В связи с изложенным важной задачей является разработка технологических приемов, обеспечивающих повышение ударной прочности и коррозионной стойкоцти мелкозернистых бетонов, используемых в производстве изделий для дорожных покрытий. Диссертационная работа выполнена по плану фундаментальной НИР РГСУ "Разработка эффективных технологий производства сборных и монолитных конструкций с использованием местных материалов и отходов производства".
Рабочая гипотеза. Повышение долговечности МЗБЖП можно обеспечить использованием структурообразующих добавок (суперпластификатора С-3, зольных микросфер), снижающих внутреннее напряжение при уплотнении формовочной смеси, улучшающих организацию порового пространства композита, повышающих его упруговязкие характеристики и ударную прочность.
Цель диссертационной работы - разработка научно-технологических основ получения долговечных мелкозернистых бетонов жесткого прессования путем совместного использования модифицированного вяжущего и демпфирующей добавки зольных микросфер.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - систематизация дефектов изделий в эксплуатируемых дорожных покрытиях, изучение причин их появления и целесообразных приемов повышения их долговечности;
- исследование роли модифицированного вяжущего и демпфирующей добавки зольных микросфер в структурообразовании мелкозернистых жесткопрессованных бетонов;
- определение оптимальной дозировки демпфирующей добавки в составе жесткопрессованных композитов различного назначения; - комплексная оценка влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства жесткопрессованных бетонов с демпфирующей добавкой;
- разработка необходимой научно-технической документации для реализации предложенного технологического приема в производстве дорожных изделий;
- апробация предложенной технологии в производственных условиях и оценка ее технико-экономической эффективности.
Научная новизна работы:
- изучено влияние модифицированного вяжущего и добавки низкомодульного пористого компонента на процессы структурообразования композита при приготовлении формовочной смеси и ее уплотнении методом жесткого прессования;
- установлена возможность целенаправленного регулирования свойств жесткопрессованных цементно-минеральных композитов путем варьирования рецептурно-технологических факторов, в том числе содержания модифицированного вяжущего и низкомодульного пористого компонента;
- определена роль физико-химических свойств добавки зольных микросфер, как низкомодульного пористого компонента, в процессах структурообразования жесткопрессованных цементно-минеральных композитов и ее влияние на физико-механические свойства мелкозернистых бетонов;
- изучены специальные свойства жесткопрессованных композитов с добавкой зольных микросфер (истираемость, ударная прочность, морозо- и коррозионная стойкость), определяющие долговечность бетона в дорожных покрытиях;
- предложена научно обоснованная методика проектирования состава жесткопрессованных мелкозернистых бетонов для изготовления дорожных изделий с заданными повышенными показателями назначения материала. Практическая значимость работы:
- показаны возможности утилизации отходов от дробления горных пород и техногенных отходов промышленности в изготовлении качественных изделий из жесткопрессованных цементно-минеральных композитов;
- доказано, что введение добавки зольных микросфер как низкомодульного пористого компонента в состав формовочной смеси позволяет улучшить основные свойства жесткопрессованных цементно-минеральных композитов, в том числе и специальные, предъявляемые к дорожным изделиям;
- разработан технологический регламент на изготовление малоразмерных изделий для дорожных покрытий, выпущена и испытана опытная партия изделий, подтвердившая практическую возможность использования модифицированного вяжущего и добавки низкомодульного пористого компонента в жесткопрессованных изделиях;
-разработаны, утверждены и зарегистрированы технические условия ТУ 5746-041-02069119-2005 "Камень брусчатый бетонный прессованный повышенной ударной стойкости";
- определена технико-экономическая эффективность использования модифицированного вяжущего и добавки низкомодульного пористого компонента в жесткопрессованных цементно-минеральных композитах.
Автор защищает:
- результаты комплексных исследований, позволившие изучить механизм взаимодействия процессов структурообразования цементно-минеральных композитов при жестком прессовании;
- технологические приемы направленного регулирования структурообразования, в том числе способ получения модифицированного вяжущего и введения зольных микросфер как низкомодульного пористого компонента в состав формовочной смеси;
- закономерности влияния рецептурно-технологических факторов на свойства жесткопрессованных цементно-минеральных композитов с добавками зольных микросфер; методику проектирования состава формовочной смеси жесткопрессованных цементно-минеральных композитов с добавкой зольных микросфер и назначения рациональных параметров основных технологических процессов производства долговечных жесткопрессованных изделий для» дорожных покрытий.
Достоверность полученных данных подтверждается применением современных методов исследований, статистической обработкой результатов экспериментальных данных, обеспечивающих доверительную вероятность 0,95 при погрешности измерений менее 5% и результатами обследования опытной партии изделий, изготовленной в производственных условиях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научно-техническом семинаре (г. Пенза, 1992 г.), Международной научно-технической конференции (г. Челябинск, 1992 г.), Всероссийской конференции (г. Томск, 1998 г.), 3-й Международной научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), ежегодных Международных научно-практических конференциях (г. Ростов-на-Дону, 1997 - 2005 г.п), Международной научно-практической Интернет - конференции "Проблемы и достижения строительного материаловедения", Международной научно-практической конференции "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (г. Белгород, 2005 г.).
Публикации. Автором опубликовано 18 печатных работ, в которых изложены основные научные результаты диссертации. В работах, выполненных в соавторстве, участие соискателя составляет более 80 %.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 140 наименований. Она содержит 220 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 55 таблиц.
Особенности и опыт эксплуатации малоразмерных изделий для дорожного строительства. Системный анализ условий их эксплуатации
Малоразмерные дорожные изделия (брусчатка, тротуарная плитка, поребрик и др.), изготовленные по технологии вибро- и жесткого прессования, нашли широкое распространение благодаря целому ряду положительных свойств. Вместе с тем, уже накопленный опыт эксплуатации выявил в ряде случаев их недостаточную долговечность, и это несмотря на жесткие требования к бетону таких нормативных документов, как ГОСТ 17608 "Плиты бетонные тротуарные. Технические условия", ГОСТ 6665 "Камни бетонные и железобетонные бортовые. Технические условия": класс бетона по прочности на сжатие не менее В 22,5 (в ряде случаев свыше В 30); на изгиб не менее Btf 3,2; истираемость не более 0,5-0,7 г/см2, ограниченное водопоглощение по массе (не более 5 - 6 %) и высокая марка по морозостойкости (F 150 и выше с оттаиванием в 5 %-ном солевом растворе хлорида натрия).
Анализ условий эксплуатации таких изделий и их состояния в покрытиях показывает, что бетон, находясь зачастую в водонасыщенном состоянии, подвергается не только чередующимся циклам нагревания -охлаждения, увлажнения - высушивания, замораживания - оттаивания, но и интенсивным механическим воздействиям (истиранию, динамическим нагрузкам, удару и пр.).
Совокупность таких эксплуатационных воздействий, несмотря на повышенные требования к бетону изделий, способна существенно снизить их долговечность, что и наблюдается на отдельных участках покрытий, находящихся под интенсивным воздействием потоков пешеходов и автомобильного транспорта, которые чаще всего дополняются агрессивной средой (посыпка покрытий солями и коагулянтами в осенне-зимний период). Анализ особенностей эксплуатации таких изделий, повышенные затраты на содержание и восстановление поврежденных покрытий наводят на мысль о недостаточности требований к показателям назначения бетона. Так, например,, практически не учтены ударные воздействия и требования к ударной стойкости бетона. Любое повышение статической прочности бетона ведет к повышению его хрупкости, что сказывается негативно на долговечности изделий.
В данной работе на основании проведенных многочисленных обследований поврежденных участков покрытий сделана попытка систематизировать и классифицировать эксплуатационные дефекты изделий, чтобы наметить пути повышения их эксплуатационной надежности.
На рис. 1.1 отмечены начальные дефекты изделий, связанные с повышенной хрупкостью бетона: сколы ребер и углов, выколы на лицевой поверхности. Динамика их появления и развития свидетельствует о том, что при высокой статической прочности бетон лицевой поверхности изделий должен обладать еще и достаточной пластичностью, а вместе с тем и более высокой морозостойкостью.
На рис. 1.2 приведены примеры разрушения лицевой поверхности при интенсивном движении вследствие недостаточной истираемости бетона. Приведенная в нормативных требованиях истираемость 0,7 г/см явно завышена. Полученные на первых этапах эксплуатации такие повреждения при дальнейшей эксплуатации способны приводить к преждевременному выходу из строя покрытия.
Вопросами анализа причин разрушения дорожных бетонных покрытий в своё время активно занимались ведущие ученые страны В.В. Стольников, Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов и др. [35, 37, 46, 108, 109, 123]. Их исследования позволили установить основные факторы, определяющие недостаточную коррозионную стойкость бетона вследствие высокой неоднородности его структуры. Наличие механического воздействия в совокупности с агрессивными воздействиями внешней среды ускоряют процессы разрушения бетонов, о чем свидетельствуют исследования В.А. Невского, A.M. Подвального и их учеников [4, 5, 8, 40, 41, 81, 87, 94, 101, 117, 119].
Сформулированны основные положения технологии производства высокопрочных и долговечных изделий [124] : -использование особо жестких цементно-песчаных смесей с предельно низким водоцементным отношением; -введение химических добавок для повышения удобоукладываемости цементно-песчанных смесей; -применение интенсивных методов перемешивания или виброперемешивания; -использование силовых методов уплотнения жестких цементно-песчанных смесей; -обеспечение "мягких" режимов твердения при температуре 40 - 45 С0 и относительной влажности 90 - 95 %.
Однако, для решения возникшей проблемы повышения эксплуатационной надежности дорожных покрытий с использованием малоразмерных бетонных изделий, необходимо полнее рассмотреть весь комплекс вопросов, связанных с изготовлением, монтажом и эксплуатацией этих изделий.
С целью качественного подхода к решению проблемы повышения долговечности изделий для дорожных покрытий, связанной со всесторонним анализом всех факторов их взаимодействия с окружающей средой, был использован системный анализ. Содержание системного анализа включает в себя вопросы формирования методов формализации сложных неопределенных задач и представление их в виде, доступном для учета как формальных технических характеристик и закономерностей поведения объекта, так и неформальных человеческих факторов, связанных с выбором параметров входа и условий изготовления изделия.
Системные объекты характеризуются входом, процессом, выходом, обратной связью и ограничением. На рис. 1.5 представлена работа малоразмерного элемента дорожного покрытия - брусчатки в виде системного процесса.
Обоснование выбора сырьевых материалов и оценка их качества
В настоящее время основным направлением науки о динамической прочности композиционных материалов остается теоретическая и экспериментальная разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния материалов в конструкциях и изделиях, испытывающих ударное воздействие, и поиски эффективных приемов повышения их ударной стойкости.
Известные работы Ю.М. Баженова, Ю.А. Пискунова, В.Н. Мохова и др. [2, 3, 4, 14, 15, 33, 111, 117, 119] свидетельсьвуют о том, что ударная прочность бетонов, в основном, зависит от скорости нагружения, вида и состава использованных бетонных смесей, условий их твердения, оказывающих решающее влияние на структурообразование бетонов. Установлено, что динамическая стойкость бетона возрастает с увеличением скорости нагружения и доказана целесообразность ее оценки по значениям коэффициентов внутреннего трения, которые являются неупругой характеристикой материалов, отражающих их способность поглощать при соударениях часть энергии внешнего воздействия.
Одним из основных воздействий на бетон дорожных изделий в покрытиях является удар. Он, как одна из разновидностей механических воздействий, внешне отличается от статической нагрузки на сжатие или растяжение композиционных материалов (бетоны, растворы, горные породы и др.).
Выполненный анализ процесса их разрушения показывает, что в момент удара в упругом материале возникает упругая волна напряжений, вызывающих локальную деформацию сжатия в области контакта с ударяющим телом. Степень воздействия этой волны зависит от интенсивности удара и внутренней реакции бетона, качественно связанных совокупностью его упругих и неупругих свойств. Если кинетическая энергия ударяющего тела невелика, то, благодаря возникающему внутреннему трению, она может быть целиком поглощена бетоном, а незначительная оставшаяся ее часть не может произвести разрушение, а лишь приводит к накоплению повреждений.
При большой интенсивности удара доля непоглощенной материалом энергии будет возрастать и возникающие в зоне контакта материала с ударяющим телом напряжения могут превысить предел прочности поверхностного слоя бетона в определенной толщине заполнителя или растворной части. В результате этого возможно появление магистральной трещины.
Общепринято [116, 117, 119] рассматривать процессы возникновения напряженно-деформируемого состояния материала при ударе с позиции образования ядра, которое постепенно формируется в поверхностном слое материала вследствие уплотнения частиц, измельчаемых в результате нанесения удара на материал, и их накопления под повторяющимися циклами воздействия ударяющего тела. Это ядро, сформировавшись, постепенно увеличивается и начинает действовать подобно несжимаемому гидравлическому клину, что способствует появлению и постепенному росту растягивающих напряжений в бетоне, формирующихся нормально к направлению удара.
Такое ядро может формироваться из сминающихся частиц растворной составляющей бетона, если удар приходится между зернами высокопрочного крупного заполнителя при одинаковой их прочности, либо из частиц раствора и каменной составляющей (при одинаковой прочности обеих композитов). Однако, последнее встречается реже.
Если прочность зерен крупного заполнителя значительно превышает прочность растворной составляющей и удар приходится в одно место, то сцепление раствора с зернами заполнителя нарушается быстро, а сформировавшееся ядро может стать причиной разрушения раствора и образования плотного ядра уже на большей глубине. Это может ускорить разрушение бетона при повторных ударах.
Таким образом, при наличии ударного воздействия на материал следует обращать внимание на упругое и неупругое сопротивление материала, определяемые в бетоне соотношением между крупным заполнителем и его растворной частью, с одной стороны, и свойствами этих компонентов, с другой. Так, если прочность растворной части меньше прочности крупного заполнителя, что встречается весьма часто, то нарушение сплошности бетона будет происходить в результате хрупкого разрушения растворной составляющей. При ряде последовательных ударов остаточная деформация бетона является результатом микроразрывов в растворной составляющей. Она будет равна сумме остаточных деформаций, появившихся после каждого цикла ударного воздействия. Причем каждое последующее приращение ее будет превышать предыдущее ввиду прогрессирующего снижения сопротивляемости материала удару в целом за счет ослабления трещинами, возникающими в теле бетона.
Существуют и другие мнения относительно объяснения характера разрушения композиционных материалов при ударных воздействиях. Однако, анализ любого из них подсказывает пути повышения ударной прочности такого материала, как бетон: рациональный подбор его компонентов, обеспечивающий наиболее благоприятное сочетание упругих и неупругих свойств и, в частности, использованием заполнителей с разным модулем упругости.
Анализ основных структурообразующих процессов при жестком прессовании мелкозернистых бетонов с демпфирующими добавками
Мелкозернистые жесткопрессованные бетоны представляют собой гетерогенные системы конденсационно-кристализационного типа с многоуровневой структурой [10, 81, 86, 99, 102, 103]. Формовочные смеси для их производства имеют ограниченное водосодержание (5-8% от массы) и при уплотнении проявляют значительное внутреннее трение. Однократно кратковременно приложенное усилие прессования специфически влияет на струк-турообразование композита, что вызывает необходимость изучения происходящих процессов и поиска приемов их направленного регулирования.
При подготовке формовочных смесей требуется энергичное сухое перемешивание компонентов и постепенное введение воды затворения. Даже визуально отмечается образование четко выраженных гранул (агрегатов) при перемешивании увлажненной смеси. Агрегаты обладают определенной плотностью и пластическими свойствами, имеют нестабильные размеры, что сказывается на сыпучести смеси и ее способности равномерно заполнять матрицу формовочного пресса. Каждая гранула состоит из большого числа первичных частиц, зачастую покрытых лишь дискретными пленками адсорбционной воды, тогда как содержание рыхлосвязанной воды весьма ограниченно. Поэтому, как при перемешивании смеси, так и при ее укладке и кратковременном уплотнении, взаимодействие трех фаз "твердое тело - жидкость -воздух" будет решающим образом влиять на ее уплотняемость, качество полученного полуфабриката и свойства затвердевшего композита. При уплотнении формовочной смеси, как наиболее ответственной операции изготовления жесткопрессованного композита, можно выделить три основных процесса, определяющих ее результативность. - перемещения и деформации структурных элементов смеси при сжатии системы; - перемещение жидкости, удаление и растворение воздуха, находящегося в ее порах; - физико-химические процессы взаимодействия клинкерных частиц с жидкой фазой.
Рассмотрим процесс уплотнения более подробно. Его начало сопровождается энергичным разрушением арок и сплющиванием мостиков между частицами гранул. Эти процессы вызваны заклиниванием относительно крупных зерен под влиянием сил внутреннего трения и сцепления. На этой начальной стадии уплотнения основную роль играет форма частиц, соотношение их размеров и частичное физико-химическое взаимодействие. Даль-нейше перемещение пуансона вызывает существенные деформации твердых частиц. Гранулы сближаются, возможно разрушение слабых зерен, особенно путем скалывания выступов на них. Само разрушение слабых зерен облегчает сближение прочных частиц, способствует перемещению наполненного цементного теста в межзерновое пространство, что приводит к росту плотности системы. В дальнейшем упругопластические деформации заменяются постепенно на упругие и пластическое течение гранул завершается. Поэтому весьма важно с точки зрения процесса уплотнения иметь в составе формовочной смеси частицы разного размера и формы. Определенную и достаточно важную роль играет вовлеченный воздух. Его миграция при уплотнении смеси и удалении из системы затрудняются закупоркой капиллярных пор и полостей, может происходить частичное растворение воздуха в жидкой фазе, но, если его содержание в рыхлонасыпной смеси достаточно высокое, он не успевает покинуть уплотняемую систему, остается в ней в виде запрессованного и на стадии выпрессовки будет вызывать появление горизонтальных технологических трещин. Чтобы избежать такого негативного явления, следует тщательно подбирать зерновой состав уплотняемой смеси и рационально ограничивать ее первоначальное водосодержание. Однако полностью устранить поры в уплотняемой системе не удается, хотя при определенных условиях технологическая связка способна заполнить практически весь объем межзернового пространства. Описанные процессы усложняются физико-механическим взаимодействием клинкерных минералов с водой.
На момент окончания уплотнения полуфабрикат находится в сложном напряженно-деформированном состоянии и поэтому при снятии прессующего давления он мгновенно оказывается под действием неуравновешенных сил. Процессы распрессовки связаны с восстановлением упругой составляющей прочных частиц, с перемещением жидкой и газообразной фаз под воздействием градиента давления и поверхностных сил.
В результате уплотнения и выпрессовки структура полученного полуфабриката продолжает саморегулироваться за счет продолжающегося взаимодействия всех фаз, ни одна из которых не остается неизменной в процессе его последующего твердения. Непрореагировавшие частицы цемента будут продолжать взаимодействовать с водой в основном за счет топохимических реакций. При наличии градиентов давления и водосодержания будут продолжаться процессы как внутреннего, так и внешнего влагопереноса. Они включают и процессы испарения влаги, за счет которых будет происходить развитие капиллярных ходов. При этом часть мигрирующей воды способна вступать в дальнейшее взаимодействие с частицами клинкерных минералов, залечивая при этом микротрещины и заполняя капиллярные поры.
Физико-химические исследования микро- и макроструктуры жесткопрессованных бетонов с демпфирующей добавкой зольных микросфер
Отличительная особенность таких бетонов заключается в замене определенной части плотных зерен минеральной смеси эквивалентным объемом зольной микросферы, имеющей зерновой состав на уровне песчаной составляющей. Индивидуальные свойства зольных микросфер, связанные с их пониженной прочностью и модулем упругости по сравнению с плотными заполнителями, пористость зерен и ее характер, возможная химическая активность по отношению к цементным новообразованиям и др. позволяют направленно регулировать показатели назначения бетонов.
Основные свойства зольных микросфер приведены в главе 2. Их фазовый состав представлен как кристаллической (а - кварц и муллит), так и аморфной составляющей. У некоторых частиц остеклована лишь тонкая наружная оболочка, в которой заключены обломки муллита и остатки глинистого вещества. Химическая активность зольных микросфер будет зависеть от дисперсности, химического и фазового состава, особенно от содержания стекловидной фазы.
В исследованиях, посвященных гидратации цементов с добавками зол [ПО], отмечается рост степени гидратации клинкерной части, хотя прочность наполненного золой цементного камня в начальные сроки твердения ниже, что объясняется наличием адсорбированных водных пленок на поверхностях зольных частиц. Таким образом, зольную частицу на ранних стадиях твердения можно рассматривать как постороннее включение, помещенное в пору цементного камня.
В исследованиях [ПО] было рассмотрено влияние гидравлической активности зольных микросфер Новочеркасской ГРЭС на процессы структуро образования и свойства легких бетонов. При этом было установлено, что при значительной дозировке зольные микросферы способны проявлять себя как активная составляющая бетонов. Результаты петрографических исследований легкого бетона на основе зольных микросфер показали, что частицы золы сохраняют свою форму и характер пористости. Однако, границы контакта зольных микросфер с цементным камнем нечеткие. Наблюдаются характерные размытые очертания, свидетельствующие о химическом взаимодействии зольных микросфер с продуктами гидратации цементного камня. Для легких бетонов было отмечено наличие пуццолановой реакции, которая начинается с адсорбции на поверхностях зольных микросфер гидроксида кальция. Из продуктов гидратации первыми образуются гидросульфоалюминат кальция (эт-трингит, который затем переходит в моносульфат и гидроалюминат), далее гидроалюминаты и гидроалюмосиликаты кальция. Е.В. Мальцев [ПО] считает, что при толщине оболочки зольных микросфер до 20 мкм, с течением времени они на глубине до 2 мкм могут вступать в реакцию с гидрооксидом кальция, что и было обнаружено при минералогических исследованиях. Такие реакции могут протекать в течение длительного времени и повышать сцепление зольных частиц с цементным камнем. Изучение контактной зоны между зольными частицами и цементным камнем показали, что в большинстве случаев границы частиц зольных микросфер остаются четко выраженными, т.е. даже в течение продолжительного времени взаимодействие между продуктами гидратации и зольными частицами происходит только на их поверхности. Так, в образцах, твердевших в течение двух недель, частицы зольных микросфер были практически не затронуты процессами коррозии, т.е. взаимодействие с цементным камнем весьма незначительно. К 28 суткам твердения была отмечена незначительная поверхностная реакция, зато к трем, а особенно к шести месяцам коррозия зольных микросфер была выражена четко, в результате чего повышалась монолитность и прочность бетона.
Изучение контактной зоны между частицами зольных микросфер и цементным камнем показало, что она длительное время остается четко выраженной. В ранние сроки твердения происходит накопление в контактной зоне Са(ОН)2, а в более поздние сроки на поверхностях контактной зоны отмечается появление гнезд гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.
Исследования продуктов физико-химического взаимодействия зольных частиц и цементного камня показали, что рентгенограммы образцов (рис. 4.1) гидратированного цемента и легкого бетона на основе зольных микросфер сходны и пики на кривых наблюдаются при одинаковых или близких углах. Поэтому можно сделать вывод, что продукты гидратации сходны по химическому составу. В то же время содержание индивидуальных фаз в цементном камне и бетоне различно: в бетоне на основе зольных микросфер количество гелевой фазы (в состав которой входят и гидроалюминаты) больше, а количество Са(ОН)2 меньше, чем в чистом цементном камне. Наряду с гелевой фазой, составляющей большую часть продуктов гидратации цементно-зольной композиции, в них присутствуют игольчатые тоберморитоподобные кристаллы длинной 1-2 мкм и толщиной 0.05-1 мкм, являющиеся рентгено-аморфными, но видимыми под электронным микроскопом. Увеличение содержания зольных частиц не вызывает заметного изменения состава гидрат-ных новообразований.
По данным РФА основным продуктом реакции является гидросиликат кальция CSH(I) в форме геля с низкой степенью закристаллизованное и с переменным составом, но находящимся в пределах, характерных для тобер-морита, а также фазы C4AHi3, C3(A,F)SnH6.2n (n-0-3) - смесь кристаллов типа гидрогранатов, C2ASH8, эттрингит, в дальнейшем переходящий в моносульфат и алюминаты кальция.
