Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Разработка теоретических положений о формировании структуры бетона как композиционного материала особого рода 14
1.1. Формирование структуры цементного камня 17
1.1.1. Исследование процесса раннего структуро-образования цементных паст 24
1.2. Влияние заполнителя на процесс раннего структурообразования цементных паст 48
1.2.1. Разработка гипотезы, объясняющей влияние заполнителя на процесс раннего структурообразования цементных систем... 48
1.2.2. Исследование процесса тепловыделения цементных бетонов 74
1.2.3. Исследование контракции цементных
бетонов в процессе твердения 83
1.3. Теоретические положения о формировании структуры цементного камня в бетоне. Постановка задач для дальнейших исследований 98
ГЛАВА 2. Исследование структуры бетона 102
2.1. Современные представления о структуре цементного камня 102
2.2. Исследование структуры и свойств цементного камня во взаимосвязи с условиями его раннего структурообразования 116
2.2.1. Влияние состава цементных паст на структуру и свойства цементного камня 116
2.2.2. Влияние температуры на процесс раннего структурообразования, структуру и свойства цементного камня 120
2.3. Контактная зона между цементным камнем и заполнителями 130
2.4. Исследование физической структуры
цементного камня в бетоне 136
2.4.1. Обоснование и систематизация составов бетонов, принятых для комплексных исследований 136
2.4.2. Степень гидратации и характеристики пористости, плотности и объемной массы цементного камня в бетоне 140
2.4.3. Объемная концентрация новообразований в объеме цементного камня в бетоне 159
2.4.4. О связи параметров структуры цементного камня в бетоне с составом бетонной смеси и условиями раннего структурообразования бетона 164
ГЛАВА 3. Влияние характеристик структуры бетонных смесей и бетонов на их физико-механические свойства ... 168
3.1. Исследование влияния состава и структуры бетонных смесей на их реологические свойства... 168
3.1.1. Методика определения реологических характеристик бетонных смесей 168
3.1.2. Основные закономерности изменения реологических свойств бетонных смесей
от параметров их состава и строения 173
3.2. Влияние структурных характеристик бетонов на их прочностные, деформативные свойства и морозостойкость 180
3.2.1. Методика определения прочностных и деформативных свойств бетонов при кратковременном нагружении 180
3.2.2. Зависимости кубиковой и призменной прочности от характеристик структуры бетона 185
3.2.3. Влияние параметров структуры бетонов на прочностные характеристики процесса микротрещинообразования 198
3.2.4. Влияние структурных характеристик бетонов на их упругие и деформативные свойства... 209
3.2.5. Структурный критерий бетонов для оценки их прочностных и деформативных свойств 218
3.3. Влияние характеристик структуры бетонов на их морозостойкость 226
ГЛАВА 4. Установление ощих зависимостей удобоукладываемости бетонных смесей и свойств бетона от главных параметров их структуры и характеристик исходных материалов 232
4.1. Метод планирования эксперимента и получение полиноминальных математических моделей 232
4.2. Удобоукладнваемость бетонных смесей, обеспечивающих получение бетонов заданных структур 239
4.3. Прочностные и деформативные свойства бетонов 248
4.4. Морозостойкость бетонов 263
ГЛАВА 5. Исследование влияния структурных характеристик на трещиностойкость бетона на основе теории механики разрушения 277
5.1. Представления о склонности бетонов к растрескиванию с позиции теории трещин 277
5.2. Влияние параметров структуры бетона на
вязкость разрушения 291
5.2.1. Методика определения коэффициента интенсивности напряжений бетона 291
5.2.2. Зависимости коэффициента интенсивности напряжений от структурных характеристик бетонов 294
5.3. Исследование связи параметров процесса микро трещинообразования, деформативных свойств и показателей стойкости с вязкостью разрушения бетона 299
5.4. Взаимосвязь коэффициента интенсивности напряжений бетонов с дилатометрическим эффектом при замораживании 309
5.4.1. Методика проведения дилатометрических исследований бетона 309
5.4.2. Зависимость вязкости разрушения бетонов от величины приведенного удлинения 314
5.5. Многофакторная математическая модель вязкости разрушения бетонов 326
ГЛАВА 6. Практические результаты работы 330
6.1. Решение оптимизационных задач в технологии специальных бетонов 330
6.1.1. Совершенствование существующего метода расчета состава бетона 330
6.1.2. Принципы оптимизации состава специальных бетонов 332
6.1.3. Оптимизация состава бетона с использованием суперпластифицирующих добавок 344
6.1.4. Метод оценки качества заполнителя в бетоне 350
6.2. Принципы контроля качества бетона в производственных условиях 352
6.3. Дилатометрический метод анализа структуры бетонов (ДАС) 362
6.4. Разработка новой безвибрационной технологии "Прессосмосбетон" 365
6.5. Использование результатов работы для преподавания курсов строительных
материалов и технологии бетонов 367
6.6. Использование результатов работы в производственных условиях и их экономическая эффективность 370
6.6.1. Инструктивные производственные материалы, разработанные с использованием результатов исследований 370
6.6.2. Внедрение результатов работы и их технико-экономический анализ 372
Выводы по работе 381
Литература 389
Приложения 411
- Исследование процесса раннего структуро-образования цементных паст
- Влияние состава цементных паст на структуру и свойства цементного камня
- Методика определения прочностных и деформативных свойств бетонов при кратковременном нагружении
- Метод планирования эксперимента и получение полиноминальных математических моделей
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее увеличение производства бетонных и железобетонных конструкций, значительное улучшение их качества и повышение долговечности.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с постановлением Совета Министров СССР от 3 января 1977 г. № 2 "О некоторых мерах по повышению технического уровня производства железобетонных конструкций и более эффективному использованию их в строительстве", а также тесно связана с целевой комплексной научно-технической программой по строительству ОЦ 031 на I98I-I985 гг. (Постановления Госстроя СССР, ГКНТ и Госплана СССР W 233/591/270 от 31.12.80 г.).
Интенсивное развитие современного строительства, особенно в осваиваемых районах страны с суровыми климатическими условиями, требует создания бетонов стойких одновременно к механическому нагружению и циклическому воздействию среды.
Решение этой проблемы связано с оптимизацией технологических процессов, повышением однородности бетонной смеси и бетона по составу, структуре и свойствам.
Однако, существующие в технологии бетона критерии, широко используемые на практике, не всегда учитывают полный комплекс факторов, влияющих на свойства бетонной смеси и бетона, что не позволяет осуществлять оперативное управление качеством специальных бетонов в процессе производства.
Использование общих критериев оценки структуры "свойств бетонов, разработанных в диссертации, позволимо: существенно усовершенствовать технологические расчеты с использованием ЭВМ; создать методы оптимизации технологии специальных бетонов с максимальным учетом свойств исходных материалов и структуры бетона; разработать новые виды технологии с применением новых материалов; получить экономический эффект за счет оптимизации технологии бетона, рационального использования исходных материалов, экономии цемента, увеличения межремонтного периода и экономии топливно-энергетических ресурсов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Основной целью работы является развитие теории и совершенствование технологии специальных видов бетонов, к которым предъявляется комплекс эксплуатационных требований. В связи с этим основными задачами работы являются разработка и обоснование структурно-технологических характеристик бетона, являющихся общими для различных видов бетонов и позволяющих установить зависимости "состав-технология-структура-свойство", необходимые для решения оптимизационных задач в технологии специальных бетонов и для организации непрерывного контроля качества бетона в производственных условиях.
В диссертации принята следующая последовательность изложения результатов исследований:
- в главе I приведен анализ литературных данных о влиянии различных факторов на формирование структуры цементного камня, изучено влияние заполнителя на структурообразование цементных композиций, сформулированы теоретические положения о формировании структуры бетона как композиционного материала особого рода, намечены задачи дальнейших исследований;
- в главе 2 приведены результаты экспериментальных исследований физической структуры цементного камня в бетоне, установлены зависимости структурных характеристик от объемной концентрации цементного теста в бетонной смеси и его истинного В/Ц;
- в главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований реологических свойств бетонных смесей, кубиковой и призменной прочности, параметров процесса микротрещинообразования, статического и динамического модулей упругости, продольных, поперечных и объемных деформаций, а также морозостойкости бетонов, показано, что установить общие закономерности изменения указанных свойств от параметров структуры бетона можно с учетом объемной концентрации цементного теста и его истинного В/Ц;
- глава 4 посвящена установлению общих закономерностей изменения удобоукладываемости бетонных смесей, прочностных и деформа-тивных свойств бетонов, морозостойкости в зависимости от структуры бетонов и качества исходных материалов;
- в главе 5 приведены результаты исследований влияния структурных характеристик на трещиностойкость бетона на основе теории механики разрушения;
- в главе б изложены практические результаты работы: принципы оптимизации состава бетона, метод оценки качества заполнителей в бетоне, принципы контроля качества бетона в производственных условиях; показаны результаты использования разработанных в диссертации положений в производственных условиях и их экономическая эффективность;
- в конце приводятся выводы по работе.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработаны теоретические положения о формировании структуры бетона с учетом распределения и форм связей воды в бетонной смеси на ранней стадии твердения, позволяющие рассмотреть бетон как композиционный материал особого рода и определить объемное содержание его составляющих: матрицы - цементного камня, заполнителя, существенно изменяющего структуру самой матрицы, и контактной зоны.
Предложена физическая модель структуры бетонной смеси, объясняющая особенности формирования структуры бетона как композита особого рода.
Разработаны структурно-технологические характеристики бетона: объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси, его ис - 10 тинное В/Ц, водопотребность заполнителя, степень гидратации цемента, влияющие на формирование макро- и микроструктуры бетона и позволяющие установить зависимости "состав-технология-структура -свойство", необходимые для решения оптимизационных задач в технологии бетона.
Доказано, что структурно-технологические характеристики являются едиными аргументными величинами для оценки свойств бетонных смесей и бетонов, приготовленных из различных материалов, и позволяют регулировать структуру и свойства бетонов в процессе производства.
Изучено влияние структуры бетона на его трещиностойкость при механическом нагружении и циклическом действии окружающей среды с использованием положений теории механики разрушения. Установлена связь коэффициента, интенсивности напряжений с морозостойкостью, дилатометрическими критериями при замораживании, статическим модулем упругости, теплостойкостью, а также с параметрическими точками процесса микротрещинообразования.
Разработана методология оценки качества заполнителей в бетонной смеси и бетоне, основанная на сопоставлении свойств бетонов при фиксированных значениях структурных характеристик.
Разработаны принципы оптимизации состава бетонов, основанные на совместном рассмотрении многофакторных математических моделей: осадки конуса и жесткости бетонных смесей, а также прочностных и деформативных свойств, морозостойкости, вязкости разрушения, объемной массы, водонепроницаемости бетонов.
Разработаны принципы непрерывного контроля качества бетона в производственных условиях на основе структурно-технологических характеристик.
ПРАКТИЧЕСКИЕ! ВЫХОД. Осуществлено решение важной научно-практической проблемы повышения качества и эффективности бетона путем регулирования его структуры и оптимизации технологии на основе разработанных теоретических положений о формировании структуры бетона как композита особого рода.
Разработаны принципы совершенствования технологии специальных видов бетонов с использованием зависимостей "состав-технология-структура-свойство", включающие: методологию оценки качества любых заполнителей в бетонной смеси и бетоне; принципы оптимизации состава бетона, позволяющие учесть комплекс требований, предъявляемых к бетонной смеси и бетону на стадии определения его состава; организацию оперативного контроля структуры бетона в технологическом процессе; прогнозирование эксплуатационных характеристик бетона с использованием многофакторных и критериальных зависимостей, необходимых для автоматизации технологических процессов и проведения технико-экономического анализа оптимальных составов бетона.
Разработанные в диссертации принципы оценки структуры бетона как композиционного материала особого рода, зависимости "состав--технология-структура-свойство", полученные на основе структурно--технологических характеристик, способствуют более систематизированному подходу для решения задач бетоноведения и используются для совершенствования преподавания курса "Технологии бетона и железобетонных изделий", а также раздела "Бетон" в общем курсе строительных материалов.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Внедрение результатов работы производилось на предприятиях Главмоспромстройматериалов, Мособлстроя, Камэнергостройпрома, Главдагестанводстроя Минводхоза СССР, Карагандапромстроя, Тулжелезобетона Минпромстроя СССР, объекта В/Ч 89515, Самаркандводиндустрия, Объединения "Росмону-ментискусство" Министерство Культуры РСФСР.
Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий составил более 1200 тыс.руб.
Результаты диссертационной работы нашли отражение в учебном процессе при преподавании курса "Технология бетонных и железобетонных изделий" и раздела "Бетон" в общем курсе строительных материалов при написании учебной и методической литературы в дипломном проектировании в іМИСИ им. В.В.Куйбышева, Павлодарском индустриальном институте, Самаркандском Государственном архитектурно-строительном институте, Кишиневском политехническом институте, в Тульском политехническом институте, Карагандинском политехническом институте.
Результаты исследований нашли свое отражение в следующих нормативных документах: рекомендациях по проведению технико-экономического обоснования выбора заполнителя для получения бетона с •заданными свойствами (1972 г.); рекомендациях по испытанию заполнителя в бетоне (1973 г.); рекомендациях по определению состава гидротехнического бетона с заданной структурой и свойствами (1973 г.); рекомендациях по определению состава бетона с заданной структурой и морозостойкостью (1975 г.); инструкции по оптимизации состава и методу уплотнения гидротехнических бетонов для гидромелиоративного строительства (1975 г.); инструкции по получению гидротехнического бетона повышенной стойкости путем регулирования его структуры и легирования полимерами (1977 г.); рекомендациях по определению состава бетона с заданной структурой, прочностью и водонепроницаемостью (1978 г.); рекомендациях по технологии изготовления конструкций и изделий из бетонополимеров (1979 г.); руководстве по подбору составов тяжелого бетона (1979 г.); рекомендациях по оперативному производственному контро - ІЗ лю морозостойкости бетона (1981 г.)); Методических рекомендациях по текущему контролю морозостойкости тяжелого бетона на основе характеристик его строения (1981 г.); рекомендациях по технологии изготовления бетонных и железобетонных конструкций методом "Прессосмосбетон" (1981 г.); технологической инструкции по изготовлению искусственных гранитов для художественно-декоративных и скульптурных произведений (1981 г.). НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
- основные теоретические положения о формировании структуры бетона как композиционного материала особого рода, состоящего из матрицы - цементного камня, заполнителя - компонента, влияющего на изменение структуры самой матрицы, и контактной зоны;
- структурно-технологические характеристики бетонов - объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси, его истинное В/Ц, водопотребность заполнителя, степень гидратации цемента, являющиеся аргументными величинами для оценки свойств различных бетонов и установления зависимостей "состав-технология-структура--свойство";
- общие закономерности изменения свойств бетонных смесей (реологических и технических) и свойств бетонов (прочностных, деформативных, микротрещинообразования морозостойкости, вязкости разрушения) в зависимости от структурных характеристик;
- принципы оптимизации состава бетонов;
- закономерности изменения трещиностойкости бетонов при механическом нагружении и циклическом действии среды с позиции механики разрушения.
Исследование процесса раннего структуро-образования цементных паст
С увеличением С/У длина волластонитовых цепей (Si OQ) ж тшш ина олоя (CaOg) уменьшается. Это говорит о том, что с соотношением С/У связан линейный рост молекулярных цепей и степень поперечного сшивания (межслоевая конденсация). В процессе гидратации степень конденсации возрастает, а отношение С/У уменьшается /10/. Формирование гидросиликатов в процессе гидратации цемента может происходить следующим образом: сначала происходит гидролиз С S и 0- инконгру-энтным выделением в раствор (StO )4 и СаО. Затем при повышении концентрации Са(0Н) в растворе (Si0 ) коагулирует совместно с СаО, образуя цепные гидросиликаты /8/.
На основе кристаллохимического анализа решеток гидросиликатов окиси кальция сделан вывод о том, что выделение & -тетраэдров из раствора происходит на матрице из элементарного слоя Са(0Н)2 /9/.
Исследовали гидратацию мелкодисперсной фракции трехкальцие-вого силиката при различных В/Ц и концентрациях Са(0Н)2 в растворе по изменению тепловыделения, измерению удельной поверхности и основности гидросиликатов. На начальной стадии твердения на поверхности негидратированного материала образуется гидрат с низкой удельной поверхностью и основностью С/У = 3 такой же, как у безводного силиката кальция. Первичный высокоосновный гидрат разлагается с выделением свободной извести и переходит в тонкие образования низкоосновного вторичного гидрата. Затем в результате перекристаллизации образуется стабильный гель с основностью G/S = 1,5 20 /13/.
-22 В работе /14/ исследовали твердение цементного теста с различным В/Ц, определяя в процессе гидратации Са(0Н)2, степень растворения С3 и количество химически связанной воды. Определялись молярные отношения CaO/SV02 и НгД С . Разность между величинами этих отношений оказалась постоянной, равной 0,34, не зависящей от основности гидросиликатов. Объясняется это наличием в молекулах тоберморитовой фазы центрального двойного слоя со-. става (Са02) , по обеим сторонам которого при основности G/S = = 0,67 расположены цепочки тетраэдров (&04)4 .
Изменение основности связано с тем, что цепочки А Од могут быть неполны или отсутствовать совсем на одной стороне центрального слоя, а на их место внедряются слои Са(0Н)2, повышая основность новообразований.
По Калоусеку /15/ Сд в тесте сначала быстро гидратируется до Сд ., образующего на пограничной поверхности слой толщиной в несколько молекул, при этом раствор, находящийся в контакте с Cg-SH ., пересыщен по отношению к СН. Пограничный слой непроницаем для воды примерно в течение 2-6 ч, и эту вторую стадию замедленной гидратации принято называть "скрытым периодом" гидратации цемента. Вследствие разложения 0 .. вызванного кристаллизацией СН, возобновляется поступление воды к исходному веществу, при этом возрастает выделение тепла.
Начало третьей стадии процесса гидратации связано с началом кристаллизации гидроокиси кальция из раствора. Этот процесс происходит интенсивно /16/. Растворение клинкерных минералов происходит в "зоне перехода", затем продукты растворения в ионно- и молекулярно-дисперсном состоянии диффундируют через пористую оболочку из цементного геля в капиллярное пространство, где и происходит кристаллизация новообразований. Образование кристаллов в "зоне перехода" не происходит, т.к. её размеры меньше критических размеров кристаллических зародышей, при которых возможен их дальнейший рост. Скорость гидратации цемента в этот период определяется скоростью диффузии продуктов растворения клинкерных минералов из "зоны перехода" в капиллярное пространство. Вследствие того, что скорость поступления в зону капиллярного пространства продуктов растворения меньше скорости отвода растворенных веществ на образование новых твердых фаз, концентрация их в растворе уменьшается и понижается степень пересыщения жидкой фазы, что способствует росту кристаллов. Когда растущие кристаллогидраты сблизятся на расстояние нескольких диаметров молекул, они сращиваются друг с другом кристаллохимическими зародышами этих же фаз в результате флуктуационного уплотнения молекул растворенных веществ. Контакты сращивания возникают и при относительно невысокой степени пересыщения жидкой фазы кристаллизующшлися из неё гидратами. Кристаллический сросток состоит из СаСОН , гидроалюминатов кальция и кристалликов эттрингита /5/.
В цементном геле между субмикрокристаллаш гидросиликатов кальция возникают межмолекулярные силы сцепления, действующие через тонкие водные пленки, а также силы ионного притяжения, обусловленные наличием на поверхности коллоидных частиц электрических зарядов. На этой стадии гидросиликат кальция и эттрингит могут расти в виде длинных волокон, которые проходят через поры и разделяют их на более мелкие. Происходит формирование "основной" структуры цементного теста /7/.
Четвертая и пятая стадии процесса гидратации характеризуются замедленными реакциями, которые продолжаются до полной гидратации цемента. В эти периоды меняется характер пор цементного камня, в результате чего образовавшиеся поры заполняются продук -24-тами гидратации. Структура затвердевшего цементного камня уплотняется и образовавшийся ранее эттрингит может перейти в моносульфат.
Влияние состава цементных паст на структуру и свойства цементного камня
Поэтому улучшение удобоукладываемости смесей, снижение количества воздуха, резкое повышение коэффициента уплотнения, увеличение объемной массы, снижение предельного напряжения сдвига связано, прежде всего, с увеличением количества капиллярной воды и равномерного обводнения всех частиц цемента, достигаемого при В/Ц = 0,695 ВТ.
Вторая зона находится в пределах значения В/Ц от 0,695 до 0,876 НГ. При увеличении воды в указанных пределах В/Ц происходит постепенное заполнение ею пространства между зернами цемента. Это приводит к увеличению радиусов капиллярных менисков и, следовательно, к уменьшению капиллярного давления. Указанные обстоятельства способствуют лучшей удобоукладываемости смеси, что сказывается на увеличении объемной массы, коэффициента уплотнения, дальнейшем увеличении фактического расхода цемента на единицу объема уплотненной смеси, резком увеличении расплыва стандартного конуса на встряхивающем столике. Предельное напряжение сдвига незначительно уменьшается при увеличении В/Ц в данной зоне. Объяснить это явление можно следующим образом. С одной стороны, с увеличением В/Ц уменьшается величина капиллярного давления, которое должно вести к снижению прочности структуры; с другой стороны, за счет улучшения удобоукладываемости смесей повышается плотность упаковки частиц цемента в них (увеличение объемной массы), что, несомненно, должно приводить к увеличению структурной прочности. Совместное влияние этих двух явлений приводит к тому, что предельное напряжение сдвига практически не изменяется в границах рассматриваемой зоны.
Третья зона находится в интервале В/Ц, равном 0,876-1,65 НГ. В/Ц, равное 0,876 НГ, соответствует минимальному количеству воды, образующему связную коагуляционную структуру. При этом воды достаточно, чтобы полностью заполнить пространство между зернами цемента. Об этом свидетельствует максимальное значение объемной массы теста, связанное с максимальным фактическим расходом цемента. Нужно отметить, что с повышением В/Ц до 0,876 НГ увеличивалось фактическое количество как цемента, так и воды в уплотненном цементном тесте.
При увеличении В/Ц свыше 0,876 НГ вода не только полностью заполняет пространство между зернами цемента, но и начинает раздвигать эти зерна. При этом фактическое количество вода в системе продолжает., увеличиваться, а количество цемента начинает убывать.
Свойства цементных паст в этой зоне полностью зависят от толщины прослоек воды между зернами цемента. С увеличением этих прослоек улучшается удобоушгадываемость смесей, увеличивается коэффициент уплотнения, однако величина объемной массы уменьшается. Зто сказывается и на резком снижении предельного напряжения сдвига, и плавном увеличении диаметра расплыва стандартного конуса на встряхивающем столике. Зона, находящаяся в указанных пределах В/Ц, является зоной связности и тиксотропии. Полученные нами данные по изменению предельного напряжения сдвига, расплыву конуса на встряхивающем столике согласуются с данными изменения объема цементного теста в зависимости от В/Ц /4/.
Четвертая зона при В/Ц 1,65 НГ характеризуется явным водо-отделением. Предельное В/Ц = 1,65 НГ, при котором частицы цемента способны ещё находиться во взаимосвязанном состоянии, характеризует водоудерживающую способность цемента. Дальнейшее добавление воды вызывает переход её в свободное состояние. Избыточное количество воды выделяется на поверхности цементного теста. Процесс формирования структуры цементных паст, прежде всего, зависит от количества воды затворения. Кривые изменения предельного напряжения сдвига в процессе твердения с различным водоцемент ным отношением представлены на графике (рис.17).
По кривым нарастания предельного напряжения сдвига, скорости прохождения УЗК и электросопротивления были установлеїш периоды формирования структуры цементных паст. Зависимость периодов формирования структуры цементных паст от В/Ц позволяет выявить также четыре зоны, соответствующие изменению пластической прочности и расплыва конуса (рис.18). Причем, в каждой зоне имеется своя закономерность изменения предельного напряжения сдвига, определенного в конце периода формирования структуры, в зависимости от величины предельного напряжения сдвига, определенного через 30 минут после приготовления смеси (рис.19).
Этим самым доказывается общность свойств пластическо-вязких цементных систем, определенных после приготовления и укладки смеси, со свойствами, определяемыми к концу периода формирования структуры, т.е. когда эти системы переходят в твердое тело.
После уплотнения цементного теста пространственное расположение частичек цемента с гидратными оболочками фиксируется, миграция воды значительно замедляется, т.к. сразу же после смачивания происходит процесс растворения минералов цемента и гелеобра-зования.
Методика определения прочностных и деформативных свойств бетонов при кратковременном нагружении
При необходимости обеспечения иного режима выдерживания бетона в период определения тепловыделений, например, термосного, вентилятор выключается и оболочка выполняет роль термоса.
Идентичность тепловых режимов в рабочем и эталонном сосудах достигается с помощью второй высокоточной системы слежения, состоящей из дифференциальной термопары и микроамперметра ЇЯ-95 со световым отсчетом, оборудованного фотоэлементом.
При разбалансе плечей дифференциального калориметра электропрогрев модельного тела производится включением промежуточного реле с усилителем. Расход электроэнергии замеряют с помощью самопишущих многопредельных амперметра и вольтметра типа Н-370. Установка позволяет исследовать суммарное тепловыделение бетонов при тепловой обработке по заданному режиму. Ддя этого исследуемый материал в рабочем сосуде подвергается прогреву по режиму, задаваемому на диагршшои ленте регулирующего устройства РУ5-0ІМ. Электронный потенциометр ЭПП-09 служит для контроля ведения теплового процесса. Электропитание рабочего сосуда осуществляется с помощью регулятора налряжешш, собранного на базе ЖТВ и управляемого электронным регулятором ШИБ. Величина теплового эффекта реакции гидратации цемента определяется в этом случае разностью расходов электроэнергии, затраченной на прогрев модельного тела и на ведение теплового процесса при прогреве исследуемой смеси. Целью исследования с помощью приведенного выше метода было выявление роли заполнителя в процессе тепловыделения цементных бетонов. Исследовали две серии образцов. Первая серия характеризовалась постоянным значением истинного В/Ц, равного нормальной густоте цемента W = 0,26, и различной объемной концентрацией цементного теста в бетонной смеси С = 0,4; 0,3; 0,2, а также чистое цементное тесто С = I (составы 1-4). Вторая серия характеризовалась постоянным значением С = 0,2, при W = 0,23; 0,26; 0,4 (составы 4-6). Были использованы следующие материалы: портландцемент Подольского завода марки "400 с НГ = 26%; песок кварцевый плотностью 2,65; Мд. =2,5, водопотребностью 7%; щебень гранитный фракции 5-Ю плотностью 2,7, объемной насыпной массой 1,65, водопотребностью 3,5/0. Кинетику тепловыделения исследовали в течение 50 часов. В результате исследований было установлено, что цементные системы на раннеы стадии структурообразования обладают незначительной величиной удельного тепловыделения (рис.44,45). Интенсивный рост тепловыделения наблюдается после периода формирования структуры бетона, контролируемого по изменению скорости прохождения ультразвука (рис.44,45). Рассмотрим кинетику тепловыделения составов первой серии. Все смеси характеризовались W =0,26 при различной объемной концентрации цементного теста. Все бетоны имели одинаковый период формирования структуры, соответствующий периоду формирования структуры чистого цементного камня, равный 7 часам. Известно, что кинетика тепловыделения довольно полно отражает процесс гидратации цемента /45-47/. В чистом цементном камне кинетика гидратации и тепловыделения определяется величиной водоцементного отношения /46/. Однако, в бетонах эта закономерность не соблюдается. Составы 1-4 характеризуются существенно различными В/Ц затворения (В/Ц меняется от 0,26 до 0,542). Кинетика тепловыделения в данном случае определяется не общим количеством воды, находящейся в смеси, а количеством воды, соответствующим истинному В/Ц. Подтверзкдается тот факт, что количество воды, иммобилизованное за счет влияния заполнителя, оказывает существенное влияние на период формирования структуры бетона. Начало интенсивного тепловыделения определяется не В/Ц затворения, а истинным В/Ц, которое складывается в бетонной смеси под влиянием заполнителя. Во всех исследуемых составах первоначальная структура цементного камня в бетоне сформировалась при одинаковом W . Дальнейший процесс тепловыделения, после периода формирования структуры, происходит в бетонах более интенсивно, чем в чистом цементном камне (рис.44). Это говорит о том, что иммобилизованная заполнителем на ранней стадии вода начинает активно участвовать в процессе гидратации цемента. Рассмотрим кинетику тепловыделения бетонов второй серии, характеризующихся С -const , при W = 0,23; 0,26; 0,4 (рис.45).
При одинаковой объемной концентрации цементного теста повышение W свидетельствует о понижении концентрации цемента в цементном тесте, что влечет за собой удлинение периода формирования структуры и, следовательно, отодвигает во времени начало интенсивного тепловыделения.
Таким образом, в результате изучения кинетики тепловыделения установлено, что твердеющие цементные системы в начальной стадии структурообразования (до конца периода формирования структуры) обладают незначительным тепловыделением. Следовательно, заполнители, имеющие ту же температуру, что цемент и вода, практически не изменяют теплового режима твердения цемента в бетоне в начальный период структурообразования.
Доказано, что заполнитель, оказывающий большое влияние на реологические свойства бетонных смесей, активно участвует в формировании структуры цементного камня в бетоне. Кинетика тепловыделения показывает, что процесс гидратации цемента в бетоне отличается от процесса гидратации цемента в чистом цементном камне. Заполнитель создает специфические условия для твердения цементного теста в бетонной смеси, разбивав его на микрообъемы -"структурные ячейки". Строение этих "структурных ячеек" определяется объемной концентрацией цементного теста и его истинным В/Ц. Становится очевидным, что объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси и истинное В/Ц позволяют установить связь мезду свойствами бетонных смесей и кинетикой структурообразования цементных бетонов.
Метод планирования эксперимента и получение полиноминальных математических моделей
Проведенные исследования позволили сформулировать и экспериментально подтвердить теоретические положения о формировании структуры цементного камня в бетоне. Процесс формирования структуры цементных систем, содержащих заполнитель, связан с распределением воды в них на ранней стадии твердения. Установлен факт снижения водоцементного отношения цементного теста в присутствии заполнителя по отношению к В/Ц затворения. Заполнитель рассматривается как активный компонент, существенно влияющий на формирование структуры цементного камня. Главной количественной характеристикой влияния заполнителя на формирование структуры бетона является его водопотребность. Раскрыта сущность этого понятия. Заполнитель, введенный в цементное тесто, иммобилизует часть воды затворения за счет действия поверхностных сил. Количество этой физически связанной воды находится в соответствии с адсорбционном способностью поверхности зерен заполнителя. Кроме того, заполнитель, занимая часть объема цементной системы, разбивает цементное тесто на тонкие прослойки с образованием так называемых "структурных ячеек". Цементное тесто, находящееся в тонких слоях, ведет себя по-иному, чем в массе. После приготовления смеси и её укладки происходит внутреннее водоотделение за счет седиментации.
Количество отделившейся воды находится в прямой связи с количеством заполнителя и с начальным водосодержшшем цементного теста Таким образом, под водопотребностью заполнителя понимается то количество воды, которое он иммобилизует за счет действия поверхностных сил и внутреннего водоотделения. В случае применения пористого заполнителя водопотребность увеличивается из-за поглощения воды внутрь зёрен.
Установлены основные общие закономерности изменения водопот-ребности заполнителя, которые позволяют полнее характеризовать условия формирования структуры цементного камня в бетоне.
С целью количественной оценки цементного теста в бетоне предложены два критерия: истинное водоцементное отношение цементного теста - W и его объемная концентрация в смеси - С, определяемые в момент фазового перехода пластическо-вязких цементных систем в твердое тело. Эти два параметра неразрывно связаны с водопотребностью заполнителя. Данные по водопотребности заполнителя позволяют рассчитывать составы бетонных смесей с заданными значениями С и W .
Объемная концентрация цементного теста и его истинное водоцементное отношение устанавливают связь между физическими свойствами бетонных смесей и бетонов, что делает возможным рассматривать свойства бетонных смесей и бетонов с различными видами заполнителей с одних позиций. Эти критерии предопределяют будущую структуру бетона, т.к. первоначальный каркас, складывающийся к концу периода формирования структуры бетона, образует своеобразную цементную матрицу, в объеме которой будет происходить дальнейшая гидратация цемента.
Объемная концентрация цементного теста и его истинное водо-цементное отношение характеризуют физическое состояние любых цементных композиций, приготовленных на различных заполнителях, что делает их универсальными критериями. Отсюда появилась возможность создать единый подход для изучения свойств цементных композиций.
Объемная концентрация цементного теста и его истинное В/Ц имеют граничные значения. W может меняться от 0,695 НГ - минимальное значение В/Ц, обеспечивающее равномерное обводнение частиц цемента, до 1,65 НГ, соответствующего водоудерживающей способности цементного теста. Для большинства используемых бетонов интервал значений W сокращается и находится в пределах от 0,876 до 1,65 НГ, соответствующих зоне связности и тиксотропии теста. Объемная концентрация С при любом значении W может изменяться от 0 до I. Для бетонов плотной структуры минимальная концентрация соответствует пустотности заполнителя. Для наиболее часто применяемых бетонов значение С находится в пределах от 0,15 до 0,55.
Объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси и его истинное Б/Ц могут служить основой при планировании экспериментов и получении математических моделей с целью изучения свойств бетонов.
Высказанные теоретические положения являются дальнейшим развитием учения о связи состава, строения и свойств бетонных смесей и бетонов. Они могут стать основой для создания нового научного метода, предусматривающего более систематизированный подход для решения задач бетоноведения. Представляется необходимым с позиций высказанных теоретических положений подробно рассмотреть вопросы строения цементного камня в бетоне, прочностные и деформативные свойства, а также вопросы долговечности бетонов и сформулировать задачи дальнейших исследований: - установить связь параметров структуры бетона с объемной концентрацией цементного теста в бетонной смеси и его истинным В/Ц - исследовать влияние структурных характеристик бетонов на их физико-механические свойства, морозостойкость и трещиностой-кость с учетом С и W ; -установить общие закономерности изменения свойств бетонных смесей, прочностных и деформативных свойств, морозостойкости, трещиностойкости различных бетонов от их структуры с использованием методов математического планирования эксперимента; - наметить пути совершенствования технологии бетона, включающие методы оптимизации состава бетонной смеси, методов прогнозирования свойств бетона, прішципов оперативного контроля качества бетона в процессе производства и т.д.; - сформулировать основные положения для совершенствования преподавания курса технологии бетона и раздела "Бетон" общего курса строительных материалов.
