Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований... 10
1.1. Состояние вопроса 10
1.2. Цель и задачи исследований 38
1.3. Выводы 40
ГЛАВА 2. Влияние нагрева на изменение сорбционных свойств и характеристик капиллярно-пористой структуры жаростойких бетонов 43
2.1. Сорбционные свойства 43
2.1.1 . Основные положения и методика исследований 43
2.1.2. Результаты испытаний 48
2.2. Удельная поверхность 56
2.3. Интегральная и дифференциальная пористость 64
2.4. Определение параметров структуры и пористости бетонов в зависимости от температуры нагрева 77
2.5. Методика математического планирования эксперимента 82
2.6. Выводы 88
ГЛАВА 3. Взаимосвязь пористой структуры, процессов тепломассопереноса и трещиностойкости жаростойких бетонов при их первом нагревании 90
3.1. Испытания крупноразмерных блоков при одностороннем нагреве 90
3.2. Основные причины возможного разрушения или растрескивания бетона 103
3.3. Выводы 106
ГЛАВА 4. Влияние нагрева на изменения трещиностойкости и хрупкости жаростойких бетонов 108
4.1. Методика определения прочности, модуля упругости и основных характеристик трещиностойкости жаростойких бетонов 109
4.2.Планирование эксперимента в работе 118
4.3 .Результаты испытаний 121
4.4.Новая методика и результаты определения термостойкости жаростойких бетонов 131
4.5.Выводы 136
ГЛАВА 5. Рекомендации по определению характеристик капиллярно-пористой структуры, хрупкости и трещиностойкости жаростойких бетонов 139
5.1.Определение удельной поверхности и характеристик капиллярно-пористой структуры цементного камня и бетона 139
5.1.1 .Определение количества не испаряемой воды 140
5.1.2.Определение емкости мономолекулярного слоя адсорбата V и удельной поверхности материала S 140
5.1.3.Определение объемов пор в цементном камне и бетоне. 142
5.1.4. Определение пористости бетона с учетом высокотемпературного нагрева 142
5.1.5.Расчет интегральной, дифференциальной пористости, площади пор и удельной поверхности бетона 145
5.2.Режимы сушки и первого разогрева тепловых агрегатов, выполненных из жаростойких бетонов на рабочий режим 146
5.3.Расчетные формулы для определения трещиностойкости и хрупкости жаростойких бетонов и элементов бетонных конструкций... 148
Основные выводы 152
Литература 154
Приложения 174
- Основные положения и методика исследований
- Испытания крупноразмерных блоков при одностороннем нагреве
- Методика определения прочности, модуля упругости и основных характеристик трещиностойкости жаростойких бетонов
- Определение пористости бетона с учетом высокотемпературного нагрева
Введение к работе
Научно-технический прогресс в строительстве предусматривает широкое применение новых эффективных индустриальных конструкций и материалов, значительное улучшение их качества и повышение долговечности. В выполнении этой задачи большая роль отводится жаростойким бетонам и конструкциям из; них.
В настоящее время одной из важных проблем индустриализации в наиболее сложной области промышленного строительства является возведение теплотехнических сооружений, где в основном пока используются мелкоштучные огнеупорные материалы. Применение крупноразмерных блоков; и панелей из жаростойких бетона и железобетона позволяет разработать новые конструктивные решения, механизировать процессы и ликвидировать ручной труд, снизить стоимость, уменьшить продолжительность возведения, повысить надежность и долговечность работы теплотехнических сооружений, а также значительно сэкономить топливно-энергитические ресурсы, например, за счет совмещения этапов сушки и обжига жаростойких бетонов в процессе вывода теплотехнических сооружений на рабочий режим, а также уменьшения количества швов в ограждающих конструкциях по сравнению со штучной огнеупорной кладкой и значительного уменьшения теплопотерь.
Жаростойкие бетоны и конструкции из них применяются при строительстве: туннельных печей и футеровке вагонеток на предприятиях строительных материалов, фундаментов под промышленные печи и дымовые трубы, днищ алюминиевых электролизеров, печей нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов, боровов и дымовых труб, коксовых батарей, полов горячих цехов промышленных предприятий, аэродромных покрытий и т.п.
В перспективе жаростойким бетоном можно заменить до 50% применяемых в настоящее время мелкоштучных огнеупорных материалов.
Жаростойкие бетоны и конструкции из них работают в сложных условиях воздействия высоких температур и нагрузки. Обеспечение их трещиностойкости на этапе сушки, выводки теплотехнических сооружений на рабочий режим, а затем при последующем длительном воздействии высоких температур и нагрузки
зависит от правильно назначенных режимов подъема, выдержки и снижения температуры. Исходя, из экономических соображений, эти режимы должны быть минимальными по продолжительности при гарантированном отсутствии трещин, отколов бетона или его хрупкого разрушения в виде взрыва.
При высокотемпературном > нагреве жаростойких бетонов в них происходят сложные процессы. тепло - и массопереноса, возникает давление паров воды в структуре бетона, изменяются: напряженно-деформированное состояние, упру-гопластические свойства, характеристики капилярно-пористой структуры и другие свойства, что приводит к зарождению развитию трещин в бетоне, снижению его трещиностойкости и долговечности.
Изучение процесса разрушения бетона при силовом и температурном; воздействии на основе методов механики разрушения показало общность процессов и характера разрушения различных видов жаростойких бетонов при нагреве. В связи с этим исследования бетонов при нагреве следует проводить с единых теоретических позиций как капилярно-пористого конгломератного материала с характерными микротрещинами еще до воздействия высоких температур и нагрузки.
Трещиностойкость и долговечность жаростойких бетонов при нагреве можно прогнозировать и регулировать путем рационального выбора исходных материалов и вида бетона, изменения его состава, использования различных технологических '. и конструктивных приемов. Решение поставленной задачи = привело к разработке новых методик, позволяющих определить влияние нагрева на изменение трещиностойкости и хрупкости жаростойких бетонов и элементов бетонных конструкций.
Разработка критериев и методов оценки трещиностойкости жаростойких бетонов с учетом их капилярно-пористой структуры имеет большое народнохозяйственное значение, так как на строительство, эксплуатацию и ремонт теплотехнических агрегатов, зданий и сооружений, подвергаемых действию повышенных и высоких температур, вкладываются огромные материальные средства.
Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР Волгоградской Государственной Архитектурно-Строительной Академии: изучения, обобщение опыта
и разработка рекомендаций по долговечности и расширению области применения жаростойких и обычных бетонов (№ гос. per. 74051117), «Разработка теории и методов определения характеристик трещиностойкости и долговечности бетонов».
Цель диссертационной работы заключалась в исследовании влияния высокотемпературного нагрева на изменение характеристик капилярно-пористой: структуры, трещиностойкости и хрупкости жаростойких бетонов элементов бетонных конструкций, получение практических рекомендаций для их количественной оценки и внедрение результатов исследований практику строительства.
При этом были установлены закономерности изменения, сорбционных свойств, удельной поверхности, дифференциальной и интегральной пористости; причины растрескивания или хрупкого разрушения бетона при первом разогреве и последующем длительном воздействии высоких температур; разработана новая методика определения термостойкости бетонов; получены новые данные по изменению трещиностойкости и хрупкости жаростойких бетонов и элементов жаростойких бетонных конструкций на портландцементе, глинозёмистом цементе и жидком стекле с учетом масштабного эффекта;
Автор защищает:
Результаты исследований сорбционных свойств, параметров капилярно-пористой структуры жаростойких бетонов при нагреве и расчетные методы их определения с применением ЭВМ.
Результаты исследований изменения во времени и по толщине бетонных элементов: температуры, давления паров воды в структуре бетона, напряженно-деформированного состояния элементов в зависимости от вида жаростойкого бетона, его структуры, скорости нагрева, а также причины изменения трещиностойкости, появления дефектов или хрупкого разрушения бетонов при их сушке и первом разогреве до высоких температур (800С).
Рекомендации по определению характеристик капилярно-пористой структуры бетона, безопасным режимам сушки и первого нагрева тепловых агрегатов из жаростойких бетонов.
Экспериментальные и расчетные данные о причинах хрупкого, квазихрупкого и вязкого характера разрушения бетонов при нагреве; возможность применения к жаростойким бетонам энергетических критериев механики разрушения^для оценки: критической длины равновесной трещины, зоны предразрушения, хрупкости и трещиностойкости бетона с учетом масштабного эффекта.
Неразрушающий резонансный метод определения термостойкости бетонов, позволяющий прогнозировать их прочность и долговечность.
Закономерности изменения трещиностойкости жаростойких бетонов подвергаемых высокотемпературному нагреву в зависимости от вида вяжущего, состава и пористой структуры бетона.
Научная новизна. Изучены сорбционные свойства жаростойких бетонов и изменение параметров их капилярно-пористой структуры: удельная поверхность, площадь поверхности пор, интегральная и дифференциальная пористость. Разработан расчетный метод количественной оценки изменения общей пористости жаростойких бетонов, соотношения между твердой фазой и объемом порового пространства в зависимости от температуры нагрева бетона.
Получены новые данные о влиянии температуры, и давления паров воды в структуре бетона на его напряженно-деформированное состояние и трещино-стойкость в зависимости от вида жаростойкого бетона, структуры порового пространства и интенсивности его нагрева. Установлены, причины возможного растрескивания и разрушения жаростойких бетонов в виде взрыва от температурных напряжений, совместного действия температурных напряжений и давления паров воды в бетоне, а также высокого давления пара в структуре бетона в зависимости от режимов сушки, первого нагрева и охлаждения бетона.
Разработаны эффективные режимы и способы сушки и > первого разогрева теплотехнических сооружений, выполненных из жаростойкого бетона, обеспечивающие высокую трещиностойкость бетона на этапе их выводки на рабочий режим и последующей эксплуатации.
На основании энергетического подхода получены новые данные о возможных условиях хрупкого, квази-хрупкого и вязкого характера разрушения жаро-
стойких бетонов при нагреве и силовом воздействии. На основе методов механики разрушения для жаростойких бетонов получены новые данные о значениях критической (характеристической) длины равновесной трещины, локальной деформации и зоны предразрушения (разупрочнения).
Изучено влияние воздействия высоких температур на изменения характеристик трещиностойкости жаростойких бетонов на портландцементе, глиноземистом цементе и жидком стекле.
Установлены свойства бетона, оказывающие влияние на изменение его хрупкости и трещиностойкости в зависимости от температуры нагрева бетона с учетом масштабного эффекта.
Практическое значение. Диссертационная работа направлена на решение важной научно-практической проблемы повышения качества и эффективности жаростойких бетонов, подвергаемых высокотемпературному нагреву путем разработки методов прогнозирования и регулирования трещиностойкости бетонов за счет рационального выбора исходных материалов, изменение состава бетонов и других технологических факторов.
Разработаны эффективные режимы и способы сушки и первого разогрева теплотехнических сооружений, выполненных из жаростойкого бетона, обеспечивающие высокую трещиностойкость бетона на этапе их выводки на рабочий режим и последующей эксплуатации.
Работа автора «Повышение трещиностойкости и долговечности жаростойких бетонов» демонстрировалась на постоянной выставке работ АН СССР «Жаростойкие неорганические материалы» и была отмечена медалью.
Результаты исследований нашли свое отражение в «Рекомендациях по повышению-долговечности жаростойкого и обычного бетонов в процессе эксплуатации при повышенных температурах», «Разработка теории и методов определения характеристик трещиностойкости и долговечности», в «Рекомендациях по определению характеристик капиллярно-пористой структуры, хрупкости и трещиностойкости жаростойких бетонов», а также были использованы при подготовке ГОСТ 29167-91. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) бетона при статическом нагружении. Разработанные рекомендации
используются в процессе эксплуатации на объектах «Главнижневолжскстроя», а также при проведении исследований в НИИЖБ, МИСИ, МГСУ, ХАДИ (Автодорожный университет) и в заводских условиях. Экономический эффект на предприятиях МУЛ «Волгоградтеплоэнерго» на объектах теплоэнергетического комплекса города составил 70 тыс. руб., в ЗАО «Тепломантаж» при реконструкции и ремонте тепловых агрегатов- 34 тыс. руб.
Основные положения диссертационной работы доложены на международных, республиканских и институтских научных конференциях: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСА 1995-2004г.г., международной научно-технической конференции «Проблемы международного сотрудничества в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» Тунис, Хаммамет, 2000г., на Международных научно-технических конференциях «Надежность и долговечность строительных материалов» Волгоград, 1998-2000г.г., на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и» стройиндустрии» Тула, 2001г., на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы фундаментостроения» Волгоград, 2001г., на. Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» Волгоград, 2003 г.
Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах, в том числе получены 2 патента и 1 авторское свидетельство на изобретение.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, включающего 20 таблиц, 45 рисунков, библиографию из 230 наименований.
Работа выполнена на кафедре: «Строительные материалы и специальные технологии» ВолгГАСУ.
Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам по работе: зав. каф. СмиСТ проф. Акчурину Т. К., инж. Ушакову А. В., а также доц. Головченко А. И. за участие в работе и обсуждении результатов исследований.
Основные положения и методика исследований
Энергетический критерий Gic v 3 условиях идеально хрупкого отрыва совпадает со значением поверхностной энергии; материала. Если же образование новой поверхности при прорастании трещины сопровождается остаточными деформациями, что-, характерно для бетона, то значение удельной энергии разрушения (G f) будет больше поверхностной энергии! материала, т.к. при этом работа, затрачиваемая на образование единицы новой поверхности, включает в себя также работу, затрачиваемую на остаточное деформирование.
Для цементного камня и бетона характерны нелинейные деформации на диаграмме ст - є за счет микротрещинообразовагния: Нагрев приводит к. дополнительному весьма существенному увеличению доли необратимых деформаций. Исследования особенностей изменения упруго-пластических свойств и коэффициентов упругости различных видов жаростойких бетонов, выполненные К.Д.Некрасовым, А.Ф.Миловановым, В .В .Жуковым и другими показали [41, 72, 91], что уже при кратковременной выдержке образцов под нагрузкой начинают значительно развиваться пластические деформации. С повышением температуры нагрева происходит уменьшение коэффициента упругости бетона, который мало изменяется с увеличением напряжений» и практически зависит только от температуры.
Анализ полных, с нисходящей ветвью диаграмм а - є дает возможность оценить процессы деформирования и разрушения бетонов.
Теоретические основы, методики и оборудование для получения таких диаграмм были разработаны в ВолгИСИ в 1980-19 0 гг. при участии автора [130, 132, 133, 151] и были использованы при разработке ТОСТ 29167 - 91. «Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении»..
В работах [156, 143, 151] было показано, что при испытаниях на прочность характер развития трещин и разрушение бетона в значительной степени зависит от жесткости испытательной системы «машина-образец». Условия получения равновесных диаграмм деформирования бетона при статическом нагружении опубликованы в работах [143, 145]. Методика их определения при испытании образцов-на обычных испытательных машинах предусматривает введение в систему «испытательная машина - образец» дополнительных устройств [6, 147, 7, 8, 9]. Главной конструктивной; особенностью этих устройств является упругий элемент, увеличивающий жесткость испытательной системы и одновременно воспринимающий избыток упругой энергии, высвобождающейся в процессе развития трещины в образце, обеспечивая тем самым стабильный характер разрушения. На рис. 1.4. приведена схема и общий вид испытаний образцов при трехточечном изгибе в условиях стабильного характера разрушения. Упругий элемент -стальное кольцо с испытуемой балкой образует статически неопределимую систему, которая обладает свойством распределять усилия между различными ее элементами прямо пропорционально их жесткости. При этом происходит такое перераспределение усилий, при котором образец с трещиной оказывается в новом равновесном состоянии. Это исключает спонтанное развитие трещины и обеспечивает возможность получения нисходящей ветви диаграммы деформирования. Условие стабильного характера разрушения в данном случае имеет вид: соответственно упругая энергия, накапливаемая в кольце, образце и испытательной машине; G — энергия, затрачиваемая на разрушение при условии стабильного прорастания трещины; А - площадь поверхности разрушения. Характерная полностью равновесная диаграмма деформирования жаростойкого бетона на портландцементе приведена «а рис. 1.5. Ее анализ показывает три характерных участка в процессе устойчивого разрушения образца: Г - линейный: участок на восходящей ветви, соответствующий упругому деформированию; 2- нелинейный участок на восходящей ветви за счет микротрещинообразования и неупругих деформаций; 3 - нисходящую ветвь, соответствующую развитию локальной макротрещины в процессе исчерпания несущей\ способности испытуемого образца. Действительно, из многочисленных испытаний бетона в равновесных условиях нормального отрыва Г следует, что процесс разрушения бетона сопровождается образованием большого количества микротрещин (зоны предразрушения), из которых затем формируется макротрещина.
Площадь диаграммы (рис.1.5.) с учетом поправки? на массу образца представляет собой работу разрушения. Разделив работу на площадь поверхности разрушения, получим удельную энергию разрушения G f . Значение G f является средним для: всего сечения; образца, что важно, принимая во внимание неоднородную структуру цементного камня, раствора иг бетона. Крометого, получаемое значение G f включает в себя не только термодинамическую поверхностную энергию в условиях идеального хрупкого отрыва, но и диссипацию энергии за счет необратимых деформаций на фронте трещины при ее прорастании. В работах [215, 143, 129] полные, с нисходящей ветвью, диаграммы деформирования жаростойких бетонов в зависимости от их вида и состава, температуры нагрева и других факторов. f , Полные диаграммы можно также использовать для раздельной оценки работы, затрачиваемой в процессе разрушения образца [143]. Аппроксимируя кривую при разгрузке от Рс прямой, параллельной восходящей ветви диаграммы на участке до предела пропорциональности (рис. 1.6.), а также полагая, что отклонение от линейности на восходящем участке кривой происходит в основном за счет микротрещинообразования, площади WH = ОРс В и Wpx = ВРС а представляют соответственно работу, затрачиваемую на микро- и локальное макротрещинообразование. Площадь треугольника ВРС С = Wy- работа на упругое деформирование образца.
Испытания крупноразмерных блоков при одностороннем нагреве
Структура бетона, определяющая его трещиностойкость и долговечность при нормальной и высоких температурах, в значительной степени неоднородна и включает в себя твердую фазу (гидратные новообразования, негидратированный цемент, микронаполнитель, мелкий и крупный заполнители), поровое пространство (глеевые и капиллярные поры, порьї воздухововлечения), а также мйкротрещины.л
Рассмотрим количественные показатели структуры цементного камня и бетона. Основным компонентом затвердевшего портландцементного камня являются гидросиликаты кальция; группы тоберморита - цементный гель слоисто-волокнистого строения, содержание которого примерно составляет до 75% от объема твердой фазы; до 15-20% занимает Са(ОН)2 и остальной объем приходится на другие гидратные соединения [22,80,204]. Стехиометрический подсчет показывает, что C3S и G2S в процессе гидратации связывают примерно одинаковое количество воды, но при этом G2S образует в 2 раза меньше Са (ОЙ)2 , чем C3S и примерно на 25% больше гелевой составляющей. В то же время одна часть C4AF связывает 0,31 часть Са(ОН)2 что имеет важное значение в технологии получения жаростойких бетонов на портландцементном вяжущем. Количество микронаполнителя, необходимое для связывания Са(ОН)2 при нагревании в зависимости от минералогического состава цемента можно определить расчетным» путем; [82,127]. Положительная роль C4AF при нагревании портландцементного-камня впервые была установлена; К.Д.Некрасовым, в работе [82], в которой показано, что оптимально минералогическим составом жаростойкого цемента может быть двуминеральный клинкер, состоящий из C3S и C4AF. Это возможно за счет того, что C3S имеет высокую прочность до нагрева, значительно превышающую прочность других клинкерных материалов,, не снижая значительно--прочность, при нагревании в смеси с микронаполнителями не дает усадки, что важно, поскольку усадка цементного камня является одной из причин снижения прочности жаростойкого бетона.
Результаты сорбционных измерений и электронной микроскопии [171,202] свидетельствует о том, что размер кристаллов гидросиликатов кальция (примерно равный 30x500x10000 А) предопределяет их игольчатое строение и высокую удельную поверхность, составляющую по адсорбции паров воды 150-200 м/г и, следовательно, коллоидные свойства. Согласно [22] нагрев гидросиликатов кальция при температуре около 100С снижает содержание гидратной воды до Г, а при 250С - до 0.5 молекулы. При температуре 450-550С происходит полное обезвоживание без перестройки кристаллической решетки, а дальнейший нагрев до температуры 700-800С приводит к образованию р - воллостанита с перестройкой кристаллической решетки. Наиболее полно физико-химические процессы, происходящие при нагревании гидратированных клинкерных материалов, цементного камня и бетона исследованы К.Д; Некрасовым [82].
Распределение объемов пор в цементном камне и общую пористость бетона до нагревания определяли по известным формулам [115,,117,157,204,202], которые дают, близкие результаты, т.к. при их выводе приняты примерно одни и те же допущения, а именно: Г. При полной гидратации вяжущего (а =1) количество не испаряемой при 105С воды Вн/Ц = 0,25; 2". Удельный объем не испаряемой, воды составляет 75%,; а гелевой воды 90% от объема воды в свободном состоянии. 3. Масса воды, заключенной в цементном геле достигает 15% от массы гидратированного цемента. 4. Водоотделения в процессе гидратации не происходит. Из этих положений следует, что при В/Ц 0,4 полная гидратация не может произойти. Количественные показатели структуры цементного камня, и бетона в зависимости от В/Ц приведены на рис. 2.17.
Расчетные значения количества не испаряемой воды: в портландцементном камне, параметра ат, пропорционального количеству не испаряемой воды в цементном камне, а также его удедьной поверхности определяли по формулам [202]. При этом для использованного портландцемента Себряковского завода марки «500», имеющего минералогический состав C3S = 64%; C2S = 12,0%; С3А = 4,29%; C4AF = 14,0% получено близкое совпадение с экспериментальными данными [Г40].;
В работе [131] автором диссертации установлено влияние условий твердения на взаимосвязь «степень гидратации - пористость» цементного камня в зависимости от В/Ц. Согласно экспериментальным данным степень гидратации а является функцией В/Ц:
Методика определения прочности, модуля упругости и основных характеристик трещиностойкости жаростойких бетонов
В настоящее время для оценки термостойкости материалов применяют различные критерии, которые как правило, учитывают изменение их физико-механических или теплофизических свойств, но не включают в себя параметра, учитывающего изменение структуры материала. Согласно СН 156-79 термостойкость жаростойких бетонов определяется по потере в весе кубов 7x7x7 см после их нагрева при температуре 800С и последующего охлаждения в воде. Осмотр образцов производится визуально. Основным недостатком этой методики является большая трудоемкость при проведении испытаний, а также качественная субъективная получаемых данных. Кроме того, при такой; методике нет контроля за изменяющимися в результате циклов нагрева и охлаждения структурой m прочностью бетонов. Рекомендуемый институтом- ВНИИТеплоизоляциЯ деструктивный метод определения термостойкости жаростойких бетонов по потере прочности [71] также трудоемок, так как предусматривает разрушение образцов при определении их прочности. В связи с тем, что циклические «нагрев-охлаждение» приводят к неравномерному нарушению неоднородной структуры жаростойких бетонов и появлению в образцах поверхностных трещин, это вызывает значительный разброс данных, получаемых при определении прочности, бетона, и поэтому требует испытания большого количества образцов.
Для оценки стойкости бетонов и деструктивных процессов при циклическом нагреве и охлаждении бетонов автор предложил использовать неразрушающий резонансный метод. Методика определения модуля упругости бетона основана на возбуждении в испытуемых образцах изгибных волн и изложена в разделе 4.1 диссертации. Методика определения термостойкости жаростойких бетонов заключается в следующем.
В зависимости от крупности заполнителя изготавливают образцы — балки размером 50x50x320 мм или 100x100x640 мм и определяют модуль, упругости бетона до нагревания и: после каждого цикла; «нагрев-охлаждение».
Параллельно после циклов нагрева-охлаждения на образцах-близнецах производится определение предела прочности жаростойких бетонов на растяжение Rbtf при четырехточечном изгибе. Принятая схема испытаний обеспечивает разрушение образцов в зоне постоянных напряжений по сечению, наиболее ослабленному трещинами. По результатам испытаний строится график в координатах Rbtf — Z в зависимости от количества циклов "нагрев-охлаждение". Циклический нагрев оказывает значительное влияние на изменение резонансной частоты, динамического модуля упругости и предела прочности жаростойкого бетона при изгибе (рис.4.13). Уже первый цикл нагрева: приводит к снижению резонансной частоты, а затем- наиболее существенное изменение структуры бетона происходит к 6-8 циклам "нагрев-охлаждение", после чего процесс стабилизируется. Об изменении структуры также свидетельствует резкое уменьшение удельной поверхности бетона, которая после 8 циклов нагрева составляла 52,3% начальной величины. Данные изменения резонансной частоты являются средними для испытанных пяти образцов (среднее стандартное отклонение не превышает 4,0%). Результаты испытаний образцов при четырехточечном изгибе получены также по данным пяти образцов-близнецов (среднее стандартное отклонение характеристик исходных образцов составляло 7,0%, а после циклов нагрева - 13,0%). Резонансная частота, пропорциональная модулю упругости, уменьшается по мере нарушения структуры и уменьшения прочности жаростойких бетонов позволили установить корреляцию между пределом прочности на растяжение при изгибе и изменением резонансной частоты (рис. 4.14). Таким образом, имеется возможность при минимальном количестве из испытаний на одних и тех же образцах прогнозировать изменение прочности и долговечности бетона.
Применение неразрушающего резонансного метода наиболее перспективно для контроля модуля упругости, прочности и трещиностойкости жаростойких бетонов, а также нормирования их термостойкости и долговечности в зависимости от условий применения бетона при массовом производстве в условиях заводской технологии жаростойких бетонов. 1.. Полные с нисходящей ветвью диаграммы деформирования бетона позволяют качественно и количественно оценить трещиностойкость и характер разрушения жаростойких бетонов с учетом влияния высокотемпературного нагрева и нагрузки. Автоматическая запись таких диаграмм возможна на обычных испытательных машинах для определения прочности материалов. Характер разрушения (хрупкий, квази-хрупкий или вязкий) определяется соотношением упругой энергии, высвобождающейся в процессе разрушения бетона и его удельной энергии разрушения Gf- свойства материала. 2. С увеличением количества тонкомолотой добавки в жаростойком цементном камне, введением; песка и щебня, длительность процесса разрушения материалов возрастает, о чем свидетельствует более плавный характер нисходящей ветви диаграмм. Качественный и количественный анализ полных диаграмм деформирования также свидетельствует о том, что более неоднородный по сравнению с цементным камнем бетон является менее хрупким материалом и в большей степени способен к перераспределению напряжений. Энергия разрушения жаростойкого бетона на портландцементе в 2.5 - 3 раза выше, чем жаростойкого портландцементного камня.
Определение пористости бетона с учетом высокотемпературного нагрева
Из уравнения (5.17) следует, что повышение вязкости разрушения и трещиностойкости бетонов и конструкций из них может быть достигнуто за счет уменьшения размеров конструкций, предела прочности бетона при растяжении или за счет увеличения модуля упругости или энергии разрушения бетона. Все характеристики бетона в уравнениях (5.16) и (5.17) изменяются в зависимости от различных технологических факторов, что позволяет подобрать оптимальные по трещиностойкости и хрупкости составы бетонов и размеры элементов бетонных конструкций. Для жаростойких бетонов это актуально, например, при назначении их составов и определении размеров футеровки для облицовки вагонеток туннельных печей. При этом, используя один и тот же состав бетона, можно регулировать трещиностойкость и термостойкость футеровки в зависимости от принятых размеров элементов и конструктивных решений.
Методика определения термостойкости жаростойких бетонов изложена в главе IV. 1. При высокотемпературном нагреве жаростойких бетонов в них проходят сложные процессы тепло- и массопереноса, возникает давление паров воды в структуре бетона и изменяются: упруго-пластические свойства, напряженно-деформированное состояние, характеристики капиллярно-пористой структуры и некоторые другие параметры, что приводит к зарождению и развитию трещин, снижению трещиностойкости, а иногда к полному разрушению бетона. Для жаростойких бетонов важно обеспечить их трещиностоикость на двух этапах: 1 этап- в процессе первого разогрева технологических сооружений, выполненных из жаростойких бетонов на рабочий режим и 2 этап- при последующем длительном воздействии на бетон заданных высоких температур и нагрузки. 2. Сорбционные свойства жаростойких бетонов зависят от вида, состава и гигроскопических свойств входящих компонентов. Для изотерм адсорбции и десорбции бетонов характерен гистерезис. Причем, чем мельче поры в материале, тем раньше начинается капиллярная конденсация. 3. Метод капиллярной конденсации позволяет определить объем всех пор, имеющихся в бетоне, в зависимости от их радиуса. 4.Удельную поверхность, площадь поверхности пор, дифференциальную и интегральную пористость бетона, соотношение между твердой фазой и объемом; порового пространства, изменяющихся в зависимости от температуры нагрева бетона, можно-определить расчетным? путемиз изотерм сорбции паров воды бетоном. 5.При первом разогреве тепловых агрегатов процесс сушки жаростойких бетонов: происходит послойно с зоной испарения в интервале температур 129-170С. При этом перемещение поверхности раздела фаз направлено вглубь (по толщине) материала. Влага перемещается в виде пара в сторону высокой температуры, ив виде жидкости - к более холодной поверхности. При высокотемпературном нагреве бетона основное влияние на удаление влаги оказывает градиент давления паров воды в бетоне. 6. Разработанные режимы первого разогрева теплотехнических сооружений, выполненных из жаростойких бетонов до рабочих температур позволяют избежать хрупкого разрушения бетона в виде взрыва при одновременном сокращении сроков выводки агрегатов на рабочий режим. 7. Установлена взаимосвязь между модулем упругости и пределом прочности при растяжении в зависимости от температуры нагрева жаростойких бетонов, что позволило разработать простой неразрушающий (резонансный) метод, позволяющий при минимальном количестве образцов определять термостойкость бетонов, прогнозировать их прочность и долговечность. 8.Следует отличать хрупкость бетона от хрупкости бетонных элементов в зависимости от их размера. Энергетический подход, учитывающий количество упругой потенциальной энергии, накапливаемой в элементах бетонных конструкций и энергии, поглощаемой в процессе разрушения, позволяет определить хрупкость элементов с учетом их размера. 9.Повышение вязкости разрушения и трещиностойкости бетонов и конструкций из них может быть достигнуто за счет уменьшения размеров конструкций, предела прочности бетона при растяжении или за счет увеличения модуля упругости или энергии разрушения бетона. Характеристики трещиностойкости и хрупкости изменяются в зависимости от различных технологических факторов, что позволяет подобрать оптимальные по трещиностойкости и хрупкости; составы бетонов и размеры элементов бетонных конструкций. Для жаростойких бетонов это актуально, например, при назначении составов и определении размеров футеровки для футеровки вагонеток туннельных печей. При этом, используя один и тот же состав бетона, можно регулировать трещиностойкость и термостойкость футеровки в зависимости от принятых размеров элементов и конструктивных решений.
