автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структурные факторы управления влажностными деформациями высокопрочных модифицированных бетонов

На правах рукописи

Чемоданова Светлана Николаевна

СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ

БЕТОНОВ

Специальность 05.23.05 -Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005044026

Воронеж — 2012

005044026

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, Славчева

Галина Станиславовна

Официальные оппоненты: Корнеев Александр Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, Липецкий государственный технический университет, кафедра строительных материалов, заведующий кафедрой Кукина Ольга Борисовна, кандидат технических наук, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра физики и химии, доцент

Ведущая организация: ОАО «Конструкторское технологическое бюро

бетона и железобетона» ( г. Москва)

Защита диссертации состоится 27 апреля 2012 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительный университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, аудитория 3220, тел. (факс): (473) 271-59-05.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан_ Л В. 03. 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Сегодня в строительной практике все большее распространение получают высококачественные бетоны нового поколения, обладающие высокой (60-80 МПа) и сверхвысокой прочностью (выше 80 МПа), низкой проницаемостью, повышенной морозостойкостью. Принципиальные достижения в уровне их качества связаны с комплексным модифицированием их структуры микро- и нанодисперсными органоминеральными добавками (как правило, на основе аморфного кремнезема и пластификаторов). И это обеспечивает создание высокоплотной, микропористой, высокодисперсной структуры, которая одновременно закономерно характеризуется высоким запасом внутренней энергии. Вследствие этого при эксплуатационных воздействиях мера изменения, реализация конструкционных свойств высокопрочных модифицированных бетонов, определяемая энергетикой их твердой фазы и порового пространства, может характеризоваться определенными отличительными особенностями. Системных, комплексных знаний по проблеме изменения состояния и свойств бетонов нового поколения под воздействием эксплуатационных процессов пока еще не получено, поэтому данные бетоны выделяются в работе в качестве объекта исследования.

Влажностные деформации для цементных бетонов всегда считались одним из критических факторов для их надежности и долговечности. Накопленный к настоящему времени опыт возведения и эксплуатации зданий из высокопрочных модифицированных бетонов выявил, что проблема трещинообразова-ния от развития влажностных деформаций в конструкциях с их применением не только не снимается, но является еще более острой и актуальной. Поэтому экспериментальное изучение факторов, определяющих величину влажностных деформаций высокопрочных бетонов нового поколения, и разработка на этой основе технологических приемов управления ее показателями имеет важное практическое значение и принимается в данной работе в качестве предмета исследования.

Целью диссертационной работы является минимизация влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов на основе регулирования их состава и структуры.

Задачи исследования.

1. Теоретически обосновать систему параметров состава и структуры высокопрочных модифицированных бетонов, которые являются критериальными для развития процессов влагообмена и деформирования.

2. Экспериментально установить зависимость кинетики и показателей эксплуатационного влагообмена модифицированных бетонов с параметрами их состава и структуры.

3. Экспериментально установить количественную взаимосвязь величины влажностных деформаций модифицированных бетонов с параметрами их состава и структуры.

4. Обосновать рекомендации по составам высокопрочных модифициро-

ванных бетонов по критерию минимальной деформативности.

5. Разработать предложения по учету особенностей деформирования высокопрочных модифицированных бетонов при расчете строительных конструкций.

Научная новизна работы:

- для высокопрочных модифицированных бетонов теоретически обоснован перечень и впервые экспериментально установлен граничный диапазон параметров структуры, критериальных для регулирования баланса сил при увлажнении-обезвоживании и деформировании - удельной площади поверхности твердой фазы, ее энергетических характеристик, объема и структуры пористости;

- на основе комплексной идентификации строения впервые показано, что для высокопрочных модифицированных бетонов в применяемом на практике диапазоне их составов обеспечивается формирование 4 групп структур, для которых значения размерно-геометрических и энергетических характеристик твердой фазы и порового пространства отличаются в 2-4 раза;

- показано, что трансформация строения модифицированных бетонов в рамках выделенных в работе его структурных групп оказывается фактором регулирования силы взаимодействия материала с водой, что позволяет изменять показатели процессов влагообмена и деформирования в 3-4 раза;

- получены количественные зависимости взаимосвязи величины деформаций высокопрочных модифицированных бетонов с характеристиками их твердой фазы и порового пространства;

- научно обоснованы оптимальные с точки зрения минимизации влажно-стных деформаций параметры структуры высокопрочных модифицированных бетонов, обоснованы ограничения по их составам, обеспечивающие формирование оптимальных структур.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие строительного материаловедения, технологии и нанотехнологии. Новые высокопрочные, сверхпрочные, легкие, сверхлегкие и долговечные строительные композиционные материалы» (2007-2009 г.г.); планового задания Федерального агентства по образованию «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения» (2008 - 2011 г.г.).

Достоверность полученных результатов обеспечена методически обоснованными комплексными количественными исследованиями состава, структуры и свойств модифицированного бетона с использованием современных средств измерения; применением вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов. Оценка адекватности разработанной методики стандартным условиям испытаний осуществлялась путем сопоставления с результатами стандартных измерений.

Практическое значение работы заключается в разработке: рекомендаций по составам высокопрочных бетонов с минимальной эксплуатационной деформируемостью; предложений по значениям коэффициентов линейных влаж-

ностных деформаций; методики оценки деформаций бетона в условиях, моделирующих влажностные режимы эксплуатации.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при разработке рекомендаций по составам модифицированных бетонов классов В65, В70.В75, В80 для ООО «Коттедж-Строй» (396657, г. Россошь, Воронежской обл. ул. Промышленная, 17) и ООО «АвтоБетонСтрой 24» (г. Воронеж 394084, г. Воронеж, ул. Чебышева, 30); подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и магистров по направлению 270100 «Строительство» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2007 г.); XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (Воронеж, 2007-2011 г.г.).

Автор защищает.

- разработанную систему представлений и новые научные данные о структурных факторах управления процессами влагообмена и эксплуатационной деформируемостью высокопрочных модифицированных бетонов;

- методику исследований процессов деформирования материала в условиях, учитывающих характеристики эксплуатационной среды;

- результаты экспериментальных исследований закономерностей процессов влагообмена и развития деформаций высокопрочных модифицированных бетонов;

- систему экспериментальных данных о взаимосвязи деформативных характеристик модифицированных бетонов с их составом и структурой;

- практические предложения по условиям получения высокопрочных модифицированных бетонов с пониженной эксплуатационной деформируемостью и учету их деформативных характеристик при расчете конструкций.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований представлены в 7 статьях общим объёмом 41 стр. (из них лично автору принадлежат 24 стр.). Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, который включает 130 наименований и содержит 202 страницы, в том числе 130 страниц машинописного текста, 30 таблиц, 46 рисунков и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. Разработка концепции управления влажност-ными деформациями высокопрочных модифицированных бетонов.

Обеспечение достигнутого к настоящему времени высокого уровня качества бетонов нового поколения является результатом комплексного регулиро-

5

вания их строения путем включения в действие практически всех известных на сегодня приемов формирования структуры, обоснованных в работах И.Н. Ах-вердова, A.A. Байкова, В. Г. Батракова, О.Я. Берга, А.Е. Десова, П.А. Ребинде-ра, С.С. Каприелова, З.И. Ларионовой, H.A. Мощанского, JI.B. Никитиной, Б. Г. Скрамтаева, Е.Е. Сегаловой, А.Е. Шейкина, C.B. Шестоперова, Л.Г. Шпыновой и др. При этом реализуются не только традиционная оптимизация структуры на макро-, мезо- и микроуровне (создание плотных упаковок в системе сложения крупного и мелкого заполнителя, повышение плотности (снижение пористости) цементного камня, применение эффективных химических добавок), но, преимущественно, приемы совершенствования структуры на наноуровне. Именно таким приемам принадлежит приоритетная роль в формировании свойств высокопрочных модифицированных бетонов. Регулирование структуры и химико-минералогического состава новообразований, создание плотных упаковок в системе «новообразования — ультрамикронаполнитель» технологически осуществляется применением комплексных модификаторов на основе микрокремнезема и пластификаторов. В результате структура высокопрочных модифицированных бетонов характеризуется повышенным количественным содержанием наноструктурных составляющих, увеличением доли пор предельно малого размера по сравнению с классическими традиционными бетонами. И это может предопределять отличия эксплуатационного поведения бетонов нового поколения.

При формулировке проблемы исследований и рассмотрении в ее контексте комплекса деструктивных процессов в бетоне при эксплуатации, влажност-ные деформации среди составляющих эксплуатационных деформаций выделены в качестве одной из главных причиной трещинообразования, накопления повреждений в строительных конструкциях.

Согласно представлениям, сформулированным в работах C.B. Александровского, A.A. Гвоздева, А.Е. Десова, К.Г. Красильникова, И.Е.Прокоповича, З.Н. Цилосани, Е.М. Чернышова, А.Е. Шейкина и др., закономерности развития влажностных деформаций бетонов определяются балансом сил связи воды с твердой фазой и поровым пространством, который может складываться в структуре материала при изменении его влагосодержания. К составляющим баланса сил традиционно относят: капиллярные силы и силы поверхностного натяжения, силы когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц, силы внутренних связей в кристаллогидратах (табл. 1).

Анализ типовой кривой усадки цементного камня (по А.Е. Шейкину) позволил заключить, что особенности структуры высокопрочных модифицированных бетонов предопределяет усиление действия капиллярных сил на этапе удаления капиллярно-конденсированной воды из пор размером 20 нм < г <10 мкм, которые и преобладают в структуре данных бетонов. Вклад сил поверхностного натяжения, когезионного - адгезионного и межмолекулярного взаимодействия в контактах частиц при удалении адсорбционно-связанной и межслоевой воды в модифицированных бетонах также может значительно возрасти

вследствие увеличения удельной площади поверхности и энергетического потенциала твердой фазы.

Таблица 1

Система структурных факторов управления влажностными _деформациями бетона_

Характеристики связи воды со структурой Масштабный уровень структуры

микро мезо макро

Вид воды межслоевая, молекулярная адсорбционная капилляно-конденсированная капиллярно-насыщенная свободная

Составляющие баланса сил связи твердой фазы и пор с водой силы когезион-но- адгезионного взаимодействия, межмолекулярные силы расклинивающее давление адсорбционных пленок, межмолекулярные силы капиллярные силы, силы поверхностного натяжения воды

Энергия связи воды со структурой, кДж/моль 20-80 40-80 0,5-40 0,05-0,5

Размер пор, м г < Ю"111 10" '—10 х 10'5-10"7 10^-10'5 Ю'МО"4

Параметры состава и структуры, определяющие изменение баланса внутренних сил состав новообразований, распределение по размерам частиц новообразований соотношение объемов зерен микронаполнителя, остаточных зерен цемента и частиц новообразований, распределение по размерам зерен микронаполтштеля, смачиваемость поверхности соотношение объемов цементного камня, зерен заполнителя, распределение по размерам зерен заполнителя, объем макропор

удельная поверхность, удельная поверхностная энергия новообразований, объем н распределение по размерам пор кристаллического сростка

удельная поверхность новообразований, объем и распределение но размерам капиллярных пор

На основании этого в качестве критериальных параметров структуры, определяющих баланс внутренних сил при изменении влагосодержания и деформировании высокопрочных модифицированных бетонов, в работе выделяются удельная площадь поверхности и поверхностная энергия твердой фазы, объем и распределение по размерам пор.

Цементный камень является «носителем» всех видов деформаций, но одновременно его структура определяет способность материала сопротивляться их развитию. На основании этого в работе приоритет в регулировании величины влажностных деформаций модифицированных бетонов отдается формированию состава и структуры микробетона: объемного соотношения, размеров

элементов твердой фазы и пор в его структуре, химико-минералогического состава новообразований цементирующего вещества.

Решение задачи минимизации влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов связывается с реализацией обозначенных подходов. В работе это осуществляется путем получения оптимальных параметров состава и структуры в рамках совокупности и диапазона рецептурно-технологических факторов, реализуемых в настоящее время на практике при изготовлении данных бетонов: дозировки цемента и комплексного модификатора серии МБ, В/Т-отношения, вида, гранулометрии, объемной доли заполнителя.

Методика исследований. Согласно изложенной концепции управления деформативными свойствами эксперименты проводили поэтапно на цементном бетоне, бетонах на мелком и крупном заполнителе. Их составы по расходам связующего, мелкого и крупного заполнителя соответствовали рекомендациям специалистов НИИЖБ (В.Г. Батракова, С.С. Каприелова, А.В.Шейнфельда и др.) (табл. 2). В исследуемых сериях цементного микробетона и бетона за счет изменения дозировки модификатора и В/Т-отношения обеспечивалось значительное отличие параметров структуры, определяющих энергетику твердой фазы и порового пространства и, соответственно, критериальных для баланса внутренних сил при изменении влагосодержания и деформировании.

Таблица 2

Характеристика составов микробетона и высокопрочных модифицированных бетонов на мелком и крупном заполнителе_

Исследуемые системы Рецептурно-технологические факторы и границы их варьирования

Характеристики смеси Содержание МБ-01, % от массы цемента В/(Ц+МБ-01) Расход компонентов, кгЛг1

МБ-01 цемент песок (М„= 1,6) крупный заполнитель

Цементный микробетон Консистенция цементного теста соответствует НГЦТ, рас-плыву по Сут-тарду 9,13,18 см 0,5,8,12,15, 22,30 0,21-0,4 0460 15301650

Бетон на мелком заполнителе Подвижность по показателю осадки конуса 16-24 см 0,12,22,30 0,33-0,35 0165 550690 1380

Бетон на крупном заполнителе 0,32-0,34 0165 550690 580 1100

При проведении экспериментальных исследований применялись сырьевые материалы, отвечающие действующим нормативным документам: цемент портландский ЦЕМ I 42.5; в качестве органо-минерального модификатора использовалась добавка МБ-01, органическая часть которого представлена супер-

пластификатором С-3, а минеральная - микрокремнеземом аморфной модификации с размером частиц не более 0,14 мкм; песок кварцевый, Мк=1,6; щебень гранитный фракции 5-20 см.

При изучении процессов увлажнения-высыхания и деформирования использовалась авторская методика, реализация которой позволила моделировать влажностные режимы, в которых может оказаться высокопрочный модифицированный бетон при эксплуатации, С этой целью в гигростатах в изотермических условиях (20 ± 5) °С создавали «модельные» среды с относительной влажностью 20, 32, 55, 75, 99 %, полученной согласно ГОСТ 28237-89(МЭК 260-68) «Камеры неинженерного типа для получения постоянной относительной влажности». При этом обеспечивался квазистатический режим высыхания, когда вследствие принятой малой толщины образцов материала (8-10 мм) достигается минимум градиента влагосодержания по их сечению. Контроль за изменением массы и длины образцов (размером 10x40x160 мм) производили непосредственно после распалубки, в сроки 1, 3, 7, 14, 28 суток с момента распалубки и далее через каждые 14 суток. Образцы цементного камня и бетона на мелком заполнителе формовались заданного размера, а образцы бетона на крупном заполнителе получали путем распиловки предварительно отформованного массива размером 40x70x340 мм. Выдерживание в гигростатах велось до стабилизации их массы и линейных размеров, после чего образцы дополнительно обезвоживались в среде с W=0 % (над безводным хлоридом кальция); окончательное обезвоживание достигалось высушиванием при (105+5) °С. При этом оценивалась полная величина деформаций набухания-усадки, определялись удельные деформации материала в расчете на массовый процент испаренной воды соответствующего вида, а также осредненное значение удельной усадки материала при удалении всей массы воды без учета ее видов. Процессы взаимодействия материала с водой изучались по стандартной методике оценки показателей капиллярного насыщения и водопоглощения. Параллельно для всех серий образцов микробетона и бетона контролировались прочностные характеристики по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Реализация комплекса структурных исследований позволила качественно и количественно оценить критериальные для влагообмена и деформирования характеристики структуры микробетона. Исследование химико-минералогического состава цементирующего вещества, степени гидратации цемента проводилось с помощью рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии, растровой электронной микроскопии. Удельная площадь поверхности твердой фазы оценивалась двумя независимыми методами: по методу Пауэрса (по емкости монослоя адсорбированных молекул воды при парциальном давлении водяного пара р/р„ = 0,2), а так же с помощью четырехточечного метода БЭТ (по адсорбции азота на приборе SoftSorbi-II). Значение общего объема пор, а так же объема пор с г < 20 нм в расчете на единицу массы и единицу объема материала так же были получены с помощью четырехточечного метода БЭТ.

Комплексная идентификация структуры бетонов. Установлено, что в результате модифицирования формируется высокодисперсная, предельно плотная микрогетерогенная структура цементирующего вещества бетонов, принципиально отличающаяся от традиционной немодифицированной по количественным и качественным характеристикам, а именно:

1) объемному соотношению элементов твердой фазы и пор, структуре пористости: общий объем пор сокращается в 1,5 раза, при этом доля пор с радиусом менее 20 нм повышается в 2-2,5 раза, вследствие предельно малого объема порового пространства степень гидратации цемента в модифицированных системах может снизиться до 54 %;

2) химико-минералогическому составу новообразований и, соответственно, размерно-геометрическим характеристикам твердой фазы: в структуре преобладают гидросиликаты кальция типа СБН (I) преимущественно скры-токристаллической формы с размером глобуловидных частиц 100-300 нм, формирующиеся в результате взаимодействия микрокремнезема с Са(ОН)г, содержание последнего оказывается в 2,5 раза меньше, чем в немодифициро-ванном микробетоне;

3) энергетическим характеристикам: величина удельной поверхностной энергии твердой фазы возрастает почти в 2 раза по сравнению с немодифициро-ванными образцами.

Систематизация и обобщение всего комплекса экспериментальной информации о структурных изменениях в бетоне при модифицировании позволяет утверждать, что взаимное влияние факторов варьирования В/Т-отношения и дозировки модификатора приводит к синергетическому эффекту изменения качественных и количественных характеристик структуры. Анализ и идентификация структур модифицированных бетонов в рамках всего практически реализуемого на сегодня диапазона варьирования рецептурно-технологических факторов выделить четыре характерные для них структурные группы цементного камня (табл. 3).

Таблица 3

Параметры состава и ст| эуктуры цементного микробетона

Характеристика состава и параметры структуры модифицированного цементного микробетона Обозначение структурной группы

СГ1 СГ2 СГЗ СГ4

В/Т-отношение 0,34-0,40 0,25-0,34 0,25-0,28 0,21-0,25

Содержание МБ-01, % от массы цемента 0-8 0-15 12-15 22-30

Плотность цементного камня, кг/м'5 1685-1760 1800-1890 1900-1940 1970-2025

Объем твердой фазы, м7иг 0,67-0,7 0,71-0,75 0,73-0,76 0,75-0,79

Общий объем пор, \гУм ! 0,3-0,33 0,25-0,29 0,24-0,27 0,21-0,25

Содержание пор радиусом гэ, % от общего объема пор гэ < 20 нм 24 26 31 40

г, >20 нм 76 74 69 60

Удельная площадь поверхности, м2/г по адсорбции водяного пара 33-82 67-127 66-96 34-70

Теплота смачивания, кДж/кг 14-19 12-25 26-27 30-33

Первую группу структур микробетона можно характеризовать как близкую к традиционным немодифицированным системам, что характерно для составов с низким содержанием модификатора (0-8 % от массы цемента) и высокими В/Т-отношениями. Структура при этом отличается наименьшей плотностью (р = 1685-1760 кг/м3) и наибольшей пористостью, представленной преимущественно порами с радиусом более 20 нм; величина удельной поверхности и поверхностной энергии твердой фазы характеризуется наименьшими среди всех выделенных структурных групп показателями.

Для модифицированных структур 2-4 групп характерно снижение пористости и повышение поверхностной энергии твердой фазы по отношению к немодифицированным системам. При этом наибольшая плотность (р = 1970-2025 кг/м3), минимальные значения удельной площади поверхности, объема пор, наибольшее содержание нанопор с г, < 20 нм достигаются для микробетона 4 структурной модификации, что прямо соотносится с количественным содержанием модификатора МБ-01 и обеспечивается при его дозировке в диапазоне 2230% от массы цемента при одновременной минимизации В/Т-отношения.

Именно такая трансформация структурных характеристик связующего определяет изменение энергетического потенциала поверхности твердой фазы и порового пространства и может повлиять на баланс сил связи твердой и жидкой фазы в материале и, соответственно, на интенсивность процессов влагооб-мена, величину влажностных деформаций. Поэтому при реализации экспериментов для бетонов на мелком и крупном заполнителе использовались составы матриц, характерные для рассмотренных групп микробетона. Характеристика критериальных для влагообмена и деформирования параметров структуры цементирующего вещества в рассмотренных бетонах отвечает их значениям для первой, второй и четвертой структурных групп микробетона. При постоянном содержании вяжущего (табл. 2) объемы цементирующего вещества У„в и пор У„„р в структуре бетонов изменялись за счет изменения состава цементного камня и составляли: в сериях высокопрочного модифицированного бетона на мелком заполнителе У,(„ = 0,29-0,33 м3/м3, У„„р = 0,10-0,14 м3/м3; в сериях бетона на крупном заполнителе Ут =0,23-0,28 м3/м3, У„ор = 0,08-0,13 м3/м3.

Экспериментальные исследования закономерностей процессов влагообмена высокопрочных модифицированных бетонов.

Результативность модифицирования структуры при варьировании дозировки модификатора и В/Т характеризуется возможностью изменения величины показателей влагообмена в 2-4 раза (рис. 1, табл. 4).

В рамках выделенных структурных модификаций цементного камня минимальная скорость и значения показателей влагообмена наблюдается у образцов 4 структурной группы. И это закономерно определяется наибольшей силой связи с водой данной модификации микробетона, в структуре которого содержится значительное количество ультрадисперсного микрокремнезема, в составе новообразований преобладают слабозакристаллизованные гидраты типа С5Н(1), а структура пористости характеризуется преимущественным содержанием пор с размером менее 20 нм.

0,5

1

1,5

2,5

Продолжительность капиллярного

СГ1

/ --я ;г2

1М у сг: У 17 Л 4

к

0,2 0,4 0,6 Парциальное давление водяного пара, р/ро

Рис. 1 — Изотермы адсорбции и кинетика капиллярного насыщения и водонасыщения цементного микробетона

0 1 2 3 4 5 6 7 Продолжительность водонасыщения, сут

Таблица 4

Показатели влагообмена микробетона и бетона

Иссле- Дозиров- № Эксплуата- Потеря массы Величина Величина

дуемые ка МБ-01, струк- ционная ве- при высыхании капилляр- водонасы-

системы % от мас- турной личина ад- в эксплуатаци- ного на- щения, %

сы цемен- группы сорбции, % онных услови- сыщения, г/см2 по массе

та по массе ях, % по массе

Микро- 0-8 СГ1 4,10±0,49 8,00±0,96 1,270±0,15 20,5±2,46

бетон 5-15 СГ2 3,62±0,43 1,23±0,15 0,920±0,11 15,4±1,85

12-15 СГЗ 4,65±0,56 2,99±0,36 0,840±0,10 14,2±1,70

22-30 СГ4 3,10±0,37 1,90±0,23 0,650±0,08 12,1±1,45

Бетон на 0 СГ1 1,59±0,19 2,18±0,26 0,320±0,04 3,82±0,46

мелком 12 СГ2 2,53±0,30 1,62±0,19 0,469±0,06 6,09±0,73

заполни- 22 СГ4 1,79±0,21 1,37±0,16 0,317±0,04 4,65±0,56

теле 30 СГ4 2,63±0,32 1,35±0,16 0,440±0,05 6,38±0,77

Бетон на 0 СГ1 0,80±0,10 1,60±0,19 0,344±0,04 3,95±0,47

крупном 12 СГ2 1,03±0,12 2,08±0,25 0,469±0,06 5,06±0,61

заполни- 22 СГ4 1,33±0,16 2,06±0,25 0,512±0,06 5,88±0,71

теле 30 СГ4 1,32±0,16 1,50±0,18 0,551±0,07 6,02±0,72

Введение заполнителя имеет различную результативность с точки зрения изменения кинетики и характеристик процессов влагообмена в модифицированных и традиционных немодифицированных бетонах. В немодифицирован-ных бетонах (с 1 структурной группой связующего) величины адсорбции, капиллярного и водонасыщения, главным образом, определяются объемом матричного материала, и уменьшение его содержания в бетонах на мелком и крупном заполнителе приводит к снижению значений данных величин в 2,5-4 раза по сравнению с цементным микробетоном (табл. 4). В модифицированных бетонах (с 2-4 структурными группами связующего) определяющая роль при взаимодействии с водяным паром и водой принадлежит качественным характеристикам микробетона - энергетическому потенциалу поверхности частиц твердой фазы и порового пространства. Усиление вклада модифицированного, энергетически активного связующего в реакцию материала на влажностные воздействия реализуется в том, что отличие в значениях показателей влагообмена модифицированных микробетонов и бетонов на мелком и крупном заполнителе существенно ниже и составляет всего 1,5-2 раза.

В работе показано, что в целях уменьшения интенсивности влагообмена целесообразно обеспечивать при изготовлении модифицированных бетонов формирование 3,4 структурной модификации его связующего, что достигается применением дозировок модификатора МБ-01 15-22 % от массы цемента и значений В/Т=0,21-0,25.

Обобщение всего комплекса экспериментальной информации по исследованию процессов влагообмена позволило выявить количественную взаимосвязь между его показателями и критериальными для баланса сил связи с водой параметрами структуры модифицированных бетонов.

Для процесса адсорбции водяных паров определяющими являются удельная поверхность твердой фазы и содержание нанопор (г < 20 нм) в структуре бетона. Установлено, что в диапазоне значений площади поверхности твердой фазы 8уд = 35-110 м2/г величина адсорбции возрастает почти в 2 раза, а увеличение содержания нанопор в структуре с 0,14 до 0,25 м3/м3 приводит к повышению адсорбционной емкости материала в 2,2 раза. Величина потери массы при высыхании определяется поверхностной энергией твердой фазы, рост которой способствует удерживанию воды в структуре бетона: увеличение теплоты смачивания поверхности в 2 раза обеспечивает снижение величины влагопотерь при обезвоживании почти в 3 раза. Для процессов капиллярного насыщения и водопоглощения критериальными параметрами структуры закономерно являются характеристики пористости. Достигаемое при модифицировании снижение общего объема пор и доли капиллярных пор в структуре пористости материала позволяет в 2 раза снизить величины капиллярного и водонасыщения.

Экспериментальные исследования закономерностей развития влаж-ностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов.

Трансформация строения микробетона в рамках выделенных в работе его структурных групп, происходящее при модифицировании уменьшение объема

2,43

Д5

^82-

,89

пор и среднего радиуса пор, повышение дисперсности частиц, площади поверхности и поверхностной энергии твердой фазы оказывается фактором роста силы взаимодействия материала с водой. В результате значения эксплуатационных влажностных деформаций различных структурных групп микробетона отличаются в 2-4 раза (рис. 2). Принципиально важно, что модифицирование структуры во всем диапазоне составов микробетона, обеспечивающих формирование 2,3,4 его структурных групп, приводит по отношению к немодифици-рованным системам 1 структурной группы к возрастанию удельных деформаций набухания-усадки в расчете на 1% изменения влагосодержания. И это предопределяет повышенный уровень усадочных напряжений при изменении их влагосодержания. Наибольшей удельной деформативно-стью характеризуются образцы цементного микробетона 2 структурной группы (рис. 3).

Во всем диапазоне изменения влагосодержания и при увлажнении, и при обезвоживании минимальные деформации характерны для микробетона 4 структурной группы (при содержании модификатора 22-30 % и минимальных В/Т-отношениях), что

1,53

Ж

3,0 -32,5 5 2,0 §1,5

(Я §.1,0 о

"§"0,5 0,0

12 3 4

Номер структурной группы

□ усадка ЕЭ набухание

Рис. 2 — Эксплуатационные влажностные деформации цементного микробетона

обеспечивается наименьшими для всех полученных модификаций микробетона значениями объема пор и удельной площади поверхности (рис. 4). Наибольшая

з 1,0

« 3 § §0,8 РЗ ^о

° о4 л г ^ -0,6

С§ Я

5 ДО,4

-50,2 г

¿0,0

0, М17

0,3

I

0,3

^45

«

12 3 4 Номер структурной группы

ЕЗ удельная усадка, максимальная для эксплуатационных условий

□ удельная усадка, характерная для эксплуатационных условий

« в 0,8

£ Л; о,б--отпг

1С

= о 0,4

О

3 3. 0,2 А к

> ~ 0,0

1

0,64 (

,45

1

МЬ.

12 3 4 Номер структурной группы 1 удельное набухание, максимально возможное в эксплуатационной среде

! удельное набухание, соответствующее предельной величине поглощения водяных паров

Рис. 3 -Удельные деформации набухания, усадки цементного микробетона

Влажность, % по массе Рис. 4 — Развитие деформаций набухания и усадки цементного микробетона при увлажнении-обезвоживании

величина деформаций наблюдается у образцов микробетона 2 структурной группы (содержание модификатора 8-15 % и В/Т=0,25-0,34), что обусловлено высокой энергетической активностью поверхности твердой фазы и порового пространства при одновременном наличии развитой капиллярной пористости.

Обобщение результатов исследований позволило сделать вывод, что параметры структуры связующего, критериальные для регулирования процессов влагообмена, оказываются не менее действенными при управлении влажност-ными деформациями усадки-набухания модифицированных систем.

В диапазоне влагосодержания, когда развитие деформаций определяется изменением содержания преимущественно адсорбционно-связанной воды, набухание и усадка материала является следствием сил когезионно-адгезионного взаимодействия, межмолекулярных сил и расклинивающего давления адсорбционных пленок, величина деформаций в первую очередь определяется удельной поверхностью и поверхностной энергией твердой фазы. Повышение удельной поверхности от 43,2 до 1 10 м7г способствует увеличению значений набухания микробетона в 3,4 раза, а усадки - почти в 2 раза. На том этапе увлажнения-обезвоживания, когда в структуре изменяется содержание капиллярно-связанной воды, а развитие деформаций определяется действием капиллярных сил, их величина закономерно главным образом зависит от содержания капиллярных пор. С увеличением объема таких пор в микробетоне от 0,14 до 0,25 м'/м3 величина набухания возрастает в 2-2,5 раза, а усадки - в 1,5 раза.

Введение включений заполнителя в структуру цементного камня вносит существенные изменения в баланс сил и механизм формирования напряжений в материале при обезвоживании. Это является закономерным следствием двух причин: во-первых, при введении зернистых включений уменьшается объемная доля цементного камня в материале, то есть снижается влияние структурной

составляющей, являющейся «носителем» деформаций; во-вторых, проявляется противоусадочное влияние частиц заполнителя.

Однако результативность действия данного фактора существенно отличается для модифицированных и немодифицированных структур. Известно, что для традиционных бетонов наличие зерен крупного и мелкого заполнителя позволяет снизить величину усадки в 5-6 раз по отношению к микробетону. В работе установлено, что для высокопрочных модифицированных бетонов вклад заполнителей оценивается возможностью снизить значения показателей усадки цементного камня всего в 1,5-2 раза (рис. 5). И это подтверждает выдвинутую в работе гипотезу о приоритетном вкладе составляющих микроуровня структуры модифицированных бетонов нового поколения в процесс их деформирования.

П5Г

Ш

0,83

Ш

цементным камень

бетон на бетон на мелком крупном заполнителе заполнителе В немодифицированные структуры (СП)

□ структуры с содержанием МБ-01 22 % от массы цемента (СГ4)

цементный камень

бетон на бетон на мелком крупном заполнителе заполнителе

Рис. 5 - Деформации усадки и набухания микробетона и бетона на мелком и крупном заполнителе

В целом деформации набухания-усадки модифицированных бетонов оказываются выше, чем их значения для традиционных бетонов. Однако при формировании структуры связующего с параметрами, соответствующими 4 структурной группе удаются снизить величину деформаций до значений, характерных для традиционных бетонов. Принципиально важно, что установленное увеличение силы связи с водой структуры модифицированных бетонов определяет рост величины удельных влажностных деформаций усадки и набухания в по сравнению с бетонами традиционной структуры (рис. 6). В результате, уровень напряжений в конструкциях может существенно возрасти даже при незначительном изменении эксплуатационного влагосодержания высокопрочных бетонов.

По результатам исследований сделан вывод, что для минимизации деформаций целесообразно обеспечивать при изготовлении модифицированных бетонов формирование 4 структурной модификации его связующего. В тоже время установлено, что для различных составов бетона, обеспечивающих формирование цементного камня данной группы, характерен прирост деформаций

0,50 0,40

0,30

3

2 0,20 —Р 0,1 й

0,10

0.37

0,21

0,42

0,2 58

0,4

0,2

§

0,00

0 12 22 30 Содержание МБ-01, % от массы цемента

0 12 22 30 Содержание МБ-01, % от массы

цемента

□ бетон на мелком заполнителе 0 бетон на крупном заполнителе

Рис. 6 — Удельные деформации высокопрочных модифицированных бетонов

в диапазоне содержания модификатора 20-30 % от массы цемента, наиболее явно выраженный для бетона на крупном заполнителе. Такое увеличение де-формативности обусловлено повышением вклада в баланс сил при деформировании активных тонкодисперсных компонентов в структуре бетона при указанных дозировках модификатора.

На основании полученных данных для снижения величины деформаций высокопрочных модифицированных бетонов на мелком и крупном заполнителе рекомендуется использовать диапазон значений дозировок модификатора до 15-22 % от массы цемента и значений В/Т = 0,21-0,25.

Прикладные разработки. Для решения задачи минимизации влажност-ных деформаций в работе обоснованы ограничения по составам высокопрочных модифицированных бетонов классов В65-В80. Данные ограничения предлагаются в рамках составов бетонов данной группы, рекомендованных специалистами НИИЖБ и используемых на практике, и содержат требования к значениям дозировок модификатора серии МБ и В/Т-отношений (табл. 5).

В работе получены данные (табл. 6) о величине удельных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов в расчете на 1 % изменения влажности, которые являются аналогами коэффициентов линейного набухания т] и усадки р. Их величина значительно превышает значения данных коэффициентов, традиционно используемых при расчете конструкций от напряжений, вызванных неравномерным распределением влажности по их сечению. На основании полученных в работе экспериментальных данных для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций из высокопрочных бетонов с учетом изменения их влажности рекомендуются новые значения коэффициентов линейной усадки и набухания (табл. 7).

Таблица 5

Ограничения по составам высокопрочных модифицированных бетонов по критерию минимальной деформативности

Требования к показателям качества бетона Требования к составам Показатели деформативности

Класс бетона Подвижность бетонной смеси, см Содержание МБ-01, % от массы цемента В/Т-отношение усадка набухание

Бетон на мелком заполнителе

В75 16-20 15 0,30-0,32 (30-40) хШ'5 (60-70) х 10"5

22-24 22 0,30-0,32

В80 16-20 22 0,26-0,29

Бетон на крупном заполнителе

В65 16-20 15 0,30-0,31 ^ (40-50) х10"5 (10-25) х105

22-24 22 0,30-0,32

В75 16-20 22 0,25-0,28

Таблица 6

Деформативные характеристики модифицированных бетонов_

Вид деформаций Вид бетона Значение деформаций, 8x10"5 Значения удельных деформаций, х10'2

в среде с относительной влажностью воздуха

30-35 % 5055% 7075% =100% 30-35 % 50- ^ 55% 7075% »100%

Усадка на мелком заполнителе 75-90 40-70 30-40 - 1,3-2 1,5-2,5 2,0-3,0 -

на крупном заполнителе 70-80 50-65 25-50 - 2,1-2,6 3,0-4,2 4-4,5 -

Набухание на мелком заполнителе 20-30 50-70 60-80 80-100 1,5-2,5 1,5-2,5 1,5-2 1,8-2,5

на крупном заполнителе 5-10 10-25 20-40 50-70 0,3-0,5 0,8-1,0 1,5-2,5 2-2,5

Таблица 7

Коэффициенты линейных влажностных деформаций

Используемые (по С.В. Александровскому) Предлагаемые для высокопрочных модифицированных бетонов

/?=310"2 (м м/м м)/( г/г) /?= 4,5-10"2 (мм/мм)/(г/г)

г] = 5-10"3 (мм/мм)/(г/г) 77 = 2,5-10"2 (мм/мм)/(г/г)

По результатам обобщения методического опыта исследований предложена методика оценки влажностных деформаций бетонов, позволяющая моделировать полный диапазон влажностных режимов эксплуатации и обеспечивающая квазистационарный режим увлажнения-высыхания. Статистическая оценка результатов испытаний по авторской методике и сопоставление полученных данных с данными специально проведенных испытаний по ГОСТ 24544-81* «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести» позволяют заключить, что разработанная методика отличается высокой стати-

стической достоверностью, а получаемые данные адекватны результатам стандартных испытаний (табл. 8).

Таблица 8

Оценка статистической достоверности и адекватности разработанной методики определения влажностных деформаций бетонов

Метод испытания ГОСТ24544-81 * "Бетоны. Методы Авторская

Ьпределения деформаций усадки методика

и ползучести"

Среднее значение усадки бетона,е х105 (при влажности среды 55-60%) 15,05 15,39

Среднее квадратическое отклонение, охЮ5 4,0 1,63

Коэффициент изменчивости, % 27 11

Доверительный интервал при обеспеченности Р=0,95 15,05±4,53 15,39±1,3

Предельная ошибка Д.х 5,66 1,44

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Состав и структура высокопрочных модифицированных бетонов нового поколения характеризуется повышенным количественным содержанием на-ноструктурных составляющих по сравнению с классическими традиционными бетонами. Это определяет повышение энергетического потенциала поверхности твердой фазы и порового пространства, что может привести к интенсификации процессов влагообмена и деформирования при эксплуатации.

2. Сформулированы научные подходы к управлению влажностными деформациями высокопрочных модифицированных бетонов через направленное формирование структуры как средства управления балансом сил ее связи с водой. Приоритет в регулировании величины влажностных деформаций отдается формированию состава и структуры связующего: объемного соотношения и размеров твердофазовых элементов и пор, химико-минералогического состава новообразований цементирующего вещества, являющихся критериальными для энергетического потенциала структуры.

3. По результатам комплексной идентификации строения модифицированных бетонов установлено, что их высокодисперсная, плотная микрогетерогенная структура принципиально отличается от традиционной немодифициро-ванной: общий объем пор сокращается в 1,5 раза, при этом доля нанопор г < 20 нм повышается в 2-2,5 раза; в структуре преобладают гидросиликаты кальция типа СБН (I) преимущественно скрытокристаллической формы с размером глобуловидных частиц 100-300 нм; величина удельной поверхностной энергии твердой фазы возрастает почти в 2 раза.

4. Установлено, что в применяемом на практике диапазоне составов высокопрочных модифицированных бетонов обеспечивается формирование 4 групп структур, для которых критериальные для влагообмена и деформирования значения размерно-геометрических и энергетических характеристик твердой фазы и порового пространства отличаются в 2-4 раза. Наибольшая плот-

ность, минимальные значения удельной площади, объема пор, наибольшее содержание пор с г, < 20 нм достигаются для 4 структурной группы,-получаемой при дозировке модификатора серии МБ в диапазоне 22-30 % от массы цемента при одновременной минимизации В/Т-отношения.

5. Происходящее при модифицировании изменение критериальных параметров структуры влияет на показатели процессов влагообмена и деформатив-ных характеристик следующим образом.

Увеличение площади поверхности твердой фазы и содержания нанопор в структуре в 2 раза приводит к увеличению адсорбционной емкости материала в 2,2 раза; рост теплоты смачивания поверхности в 2 раза обеспечивает снижение величины влагопотерь при обезвоживании почти в 3 раза; снижение общего объема пор с 0,33 до 0,23 м3/м3 и объема капиллярных пор с 0,25 до 0,14 м3/м3 материала позволяет в 2 раза снизить величины капиллярного и водона-сыщения.

Увеличение удельной поверхности твердой фазы связующего в 2,5 раза сопровождается ростом значений набухания микробетона в 3,5 раза, усадки — почти в 2 раза; двухкратное снижение объема капиллярных пор в структуре бетона обеспечивает снижение величин набухания и усадки в 1,5-2,5 раза.

6. Величина эксплуатационных деформаций набухания-усадки модифицированных бетонов до 1,5 раз превышают их значения для традиционных бетонов. Трансформация строения бетона при модифицировании оказывается фактором роста силы взаимодействия материала с водой. Удельные влажност-ные деформации набухания и усадки, определяющие влажностные напряжения при эксплуатации конструкций, выше в 1,5-2 раза по сравнению с бетонами традиционной структуры.

7. Минимальные значения показателей влагообмена и деформаций набухания-усадки достигаются для высокопрочных модифицированных бетонов с 3,4 структурной группой связующего, формирование которых обеспечивается при дозировках модификатора 15-22% от массы цемента и В/Т= 0,21-0,25.

8. По критерию минимальной деформативности обоснованы ограничения по составам высокопрочных бетонов классов В65-В80. При этом в рамках составов модифицированных бетонов, используемых на практике, удается обеспечить величину влажностных деформаций не выше, чем для традиционных бетонов.

9. Для учета особенностей деформирования высокопрочных модифицированных бетонов при проектировании конструкций обоснованы значения коэффициентов линейных влажностных деформаций при обезвоживании и развитии усадки (3 =4,5-10"2 (мм/мм)/(г/г), при увлажнении и развитии набухания Г) =2,5-10"2 (мм/мм)/(г/г).

10. Обоснованы предложения по методике определения влажностных деформаций бетонов в условиях, моделирующих влажностные режимы эксплуатации. Подтверждена адекватность предлагаемой методики стандартным условиям испытаний и ее высокая статистическая достоверность.

Результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в рецензированных журналах и изданиях

1. Чемоданова, С.Н. Влажиостиые деформации модифицированного цементного камня / Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова //Строительные материалы. -2008. -№5. - С.70-72.

2. Чемоданова, С.Н. Новое поколение высокопрочных модифицированных бетонов: отличительные признаки структуры и закономерности развития деформаций / С.Н. Чемоданова, Г.С. Славчева // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура - Воронеж, 2011 -№ 2(22) -С. 58-67.

3. Чемоданова, С.Н. Влияние параметров структуры на влажностные деформации высокопрочных модифицированных бетонов/ Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова// Строительные материалы. -2011. — №8. - С.32-34.

Отраслевые издания и материалы конференций

1. Чемоданова, С.Н. Исследование гигромеханических характеристик модифицированного цементного микробетона / Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова // Вестник ЦРО РААСН: Вып. 6. - Воронеж - Тверь, 2007. - С.165-174.

2. Чемоданова, С.Н. Методические особенности исследования деформатив-ных и прочностных характеристик высокопрочных бетонов нового поколения при изменении его влажностного состояния / С.Н. Чемоданова // Сборник статей международной научно- практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» - Липецк, 2007-С. 143-145.

3. Чемоданова, С.Н. Гигрометрические и деформативные характеристики модифицированного цементного камня/ Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова // Вестник ЦРО РААСН: Вып. 7. - Воронеж - Липецк, 2008, С.163-170.

4. Чемоданова, С.Н. Влияние состава и структуры высокопрочных модифицированных бетонов на интенсивность процессов их влагообмена со средой/ Г.С. Славчева, С.Н. Чемоданова // Достижения материаловедения и модернизации строительной индустрии. - Матер. XV академ. чтений РААСН. Том II -Казань, 2010, С.258-262.

Подписано в печать 21.03.2012 Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №106

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

61 12-5/2368

Министерство образования и науки РФ Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

Чемоданова Светлана Николаевна

СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ

БЕТОНОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Г.С. Славчева

Воронеж - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................5

1 Состояние вопроса. Разработка концепции управления влажностными деформациями высокопрочных модифицированных бетонов............ 10

1.1 Трансформация структуры и свойств бетонов в процессе их технологической эволюции...............................................

1.2 Влияние параметров структуры на влажностные деформации высокопрочных модифицированных бетонов........................ 24

1.3 Разработка системы структурных факторов управления влажно-стной деформативностью высокопрочных модифицированных бетонов.

Обоснование задач и содержания исследований..................... 37

2 Методика исследований......................................................... 41

2.1 Характеристика факторного пространства экспериментальных исследований................................................................ 41

2.2 Методика исследований показателей влагообмена и деформа-тивных характеристик бетонов в условиях, моделирующих влажностные режимы эксплуатации.................................... . 45

2.2.1 Обоснование основных положений методики............... 45

2.2.2 Характеристика условий реализации экспериментов....... 50

2.3 Методика оценки параметров структуры................................ 54

3 Экспериментальные исследования закономерностей процессов влагообмена высокопрочных модифицированных бетонов.................. 58

3.1 Комплексная идентификация структуры бетонов..................... 58

3.2 Закономерности влияния структурных параметров цементного

микробетона на процессы влагообмена................................ 76

Характеристика процессов влагообмена для высокопрочных

3.3 модифицированных бетонов............................................. 88

Выводы.................................................................................. 96

4 Экспериментальные исследования закономерностей развития влажно-

стных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов....... 99

4.1 Закономерности развития влажностных деформаций модифицированного микробетона................................................................................2 00

4.2 Закономерности развития влажностных деформаций высокопрочного модифицированного бетона....................................................................115

Выводы....................................................

5 Прикладные разработки..............................................................................................134

5.1 Обоснование ограничений по составам высокопрочных модифицированных бетонов по критерию минимальной деформативно-

сти............................................................................................................................................134

5.2 Обоснование предложений к нормированию значений коэффициентов линейной усадки и набухания высокопрочных модифицированных бетонов........................................................................................................140

5.3 Обоснование предложений по методике определения влажностных деформаций бетонов с оценкой ее адекватности стандартным условиям испытаний и статистической достоверности..... 144

Выводы....................................................................................................................150

Основные выводы............................................................................................................^ ^ ^

Список литературы..................................................................................................................154

Приложение А Результаты рентгенофазового анализа цементного микробетона................................................................

Приложение Б Результаты измерения удельной площади поверхности и пористости образцов цементного микробетона по адсорбции азота........................................................ 172

Приложение В Рекомендации в технологический регламент бетонирования конструкций из высокопрочных модифицированных

бетонов............................................................... 1У5

Приложение Г Рекомендации по учету влажностного состояния высокопрочных модифицированных бетонов при определении

их расчетных характеристик.........................................

Приложение Д Методика определения влажностных деформаций бето-

F ......... 186

нов.....................................................

......... 198

Приложение Е Акты внедрения..........................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Сегодня в строительной практике все большее распространение получают высококачественные бетоны нового поколения, обладающие высокой (60-80 МПа) и сверхвысокой прочностью (выше 80 МПа), низкой проницаемостью, повышенной морозостойкостью. Принципиальные достижения в уровне их качества связаны с комплексным модифицированием их структуры микро- и нанодисперсными органоминеральными добавками (как правило, на основе аморфного кремнезема и пластификаторов). Й это обеспечивает создание высокоплотной, микропористой, высокодисперсной структуры, которая одновременно закономерно характеризуется высоким запасом внутренней энергии. Вследствие этого при эксплуатационных воздействиях мера изменения, реализация конструкционных свойств высокопрочных модифицированных бетонов, определяемая энергетикой их твердой фазы и порового пространства, может характеризоваться определенными отличительными особенностями. Системных, комплексных знаний по проблеме изменения состояния и свойств бетонов нового поколения под воздействием эксплуатационных процессов пока еще не получено, поэтому данные бетоны выделяются в работе в

качестве объекта исследования.

Влажностные деформации для цементных бетонов всегда считались одним из критических факторов для их надежности и долговечности. Накопленный к настоящему времени опыт возведения и эксплуатации зданий из высокопрочных модифицированных бетонов выявил, что проблема трещинообразова-ния от развития влажностных деформаций в конструкциях с их применением не только не снимается, но является еще более острой и актуальной. Поэтому экспериментальное изучение факторов, определяющих величину влажностных деформаций высокопрочных бетонов нового поколения, и разработка на этой основе технологических приемов управления ее показателями имеет важное практическое значение и принимается в данной работе в качестве предмета исследования.

ТТелью дис^ртяпионной работы является минимизация влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов на основе регулирования их состава и структуры. Задачи исследования.

1. Теоретически обосновать систему параметров состава и структуры высокопрочных модифицированных бетонов, которые являются критериальными

для развития процессов влагообмена и деформирования.

2. Экспериментально установить зависимость кинетики и показателей эксплуатационного влагообмена модифицированных бетонов с параметрами их

состава и структуры.

3. Экспериментально установить количественную взаимосвязь величины

влажностных деформаций модифицированных бетонов с параметрами их состава и структуры.

4. Обосновать рекомендации по составам высокопрочных модифицированных бетонов по критерию минимальной деформативности.

5. Разработать предложения по учету особенностей деформирования высокопрочных модифицированных бетонов при расчете строительных конструкций.

Научная новизна работы:

- для высокопрочных модифицированных бетонов теоретически обоснован

перечень и впервые экспериментально установлен граничный диапазон параметров структуры, критериальных для регулирования баланса сил при увлажнении-обезвоживании и деформировании - удельной площади поверхности твердой фазы, ее энергетических характеристик, объема и структуры пористости;

- на основе комплексной идентификации строения впервые показано, что для высокопрочных модифицированных бетонов в применяемом на практике диапазоне их составов обеспечивается формирование 4 групп структур, для которых значения размерно-геометрических и энергетических характеристик твердой фазы и порового пространства отличаются в 2-4 раза;

- показано, что трансформация строения модифицированных бетонов в

рамках выделенных в работе его структурных групп оказывается фактором регулирования силы взаимодействия материала с водой, что позволяет изменять показатели процессов влагообмена и деформирования в 3-4 раза;

- получены количественные зависимости взаимосвязи величины деформаций высокопрочных модифицированных бетонов с характеристиками их

твердой фазы и порового пространства;

- научно обоснованы оптимальные с точки зрения минимизации влажно-стных деформаций параметры структуры высокопрочных модифицированных бетонов, обоснованы ограничения по их составам, обеспечивающие формирование оптимальных структур.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие строительного материаловедения, технологии и нанотехнологии. Новые высокопрочные, сверхпрочные, легкие, сверхлегкие и долговечные строительные композиционные материалы» (2007-2009 г.г.); планового задания Федерального агентства по образованию «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового

поколения» (2008 - 2011 г.г.)

Достоверность полученных результатов обеспечена методически обоснованными комплексными количественными исследованиями состава, структуры и свойств модифицированного бетона с использованием современных средств измерения; применением вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов. Оценка адекватности разработанной методики стандартным условиям испытаний осуществлялась путем сопоставления с результатами стандартных измерений.

Практическое значение работы заключается в разработке: рекомендаций по составам высокопрочных бетонов с минимальной эксплуатационной деформируемостью; предложений по значениям коэффициентов линейных влаж-ностных деформаций; методики оценки деформаций бетона в условиях, моделирующих влажностные режимы эксплуатации.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при разработке рекомендаций по составам модифицированных бетонов классов В65, В70,В75, В80 для ООО «Коттедж-Строй» (396657, г. Россошь, Воронежской обл. ул. Промышленная, 17) и ООО «АвтоБетонСтрой 24» (г. Воронеж 394084, г. Воронеж, ул. Чебышева, 30); подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и магистров по направлению 270100 «Строительство» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2007 г.); XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (Воронеж, 2007-2011 г.г.).

Автор защищает.

- разработанную систему представлений и новые научные данные о структурных факторах управления процессами влагообмена и эксплуатационной деформируемостью высокопрочных модифицированных бетонов;

- методику исследований процессов деформирования материала в условиях, учитывающих характеристики эксплуатационной среды;

- результаты экспериментальных исследований закономерностей процессов влагообмена и развития деформаций высокопрочных модифицированных бетонов;

- систему экспериментальных данных о взаимосвязи деформативных характеристик модифицированных бетонов с их составом и структурой;

- практические предложения по условиям получения высокопрочных модифицированных бетонов с пониженной эксплуатационной деформируемостью и учету их деформативных характеристик при расчете конструкций.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований представлены в 7 статьях общим объёмом 41 стр. (из них лично автору

принадлежат 24 стр.). Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, который включает 130 наименований и содержит 202 страницы, в том числе 130 страниц машинописного текста, 30 таблиц, 46 рисунков и 6 приложений.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ БЕТОНОВ

1.1 Трансформация структуры и свойств бетонов в процессе их технологической эволюции

Среди всей номенклатуры бетонов, которые в настоящее время используются в строительной практике, к бетонам нового поколения принято относить высококачественные высокотехнологичные материалы (получившие название «High Performance Concrete»), обладающие высокой (55-80 МПа) и сверхвысокой прочностью (выше 80 МПа), низкой проницаемостью, повышенной морозостойкостью. Именно существенно более высокий уровень качества таких бетонов по отношению к так называемым «рядовым» бетонам (с прочностью до 40 МПа), новые нетрадиционные технологические решения его производства послужили основанием отнесения их к «новому поколению» конструкционных материалов.

Для обеспечения достигнутого высокого уровня качества таких бетонов потребовалось направленное регулирование строения на всех масштабных уровнях структуры от макро-до наноуровня с комплексным включением в действие практически всех известных на сегодня приемов формирования структуры бетонов, последовательно открытых и используемых в процессе их технологической эволюции (рисунок 1.1).

На первом ее этапе были разработаны подходы к оптимизация макроструктуры бетона. Главным приемом такой оптимизации было снижение доли межзерновой пустотности систем сложения крупного и мелкого заполнителей, повышения плотности цементного камня. Технологически усовершенствование макростуктуры первоначально реализовалось в снижении В/Т-отношения при применении малоподвижных и жестких бетонных смесей, что снизило расход цемента на 10-20 % (работы Н.М. Беляева, И.Г. Малюги,

Рисунок 1.1-Технологическая эволюция бетонов

И.П. Александрина). В результате, был получен бетон Т группы по прочности (до 40 МПа).

Существенный прорыв в представлениях о макроструктуре бетона следует отнести к исследованиям школы Б. Г. Скрамтаева [1-3]. Именно Б.Г. Скрамтаев в начале 60-х годов предложил новый подход к повышению прочности бетона: регулирование межзерновой пустотности систем сложения крупного и мелкого заполнителя за счет создания плотных их упаковок. Основой создания максимально плотной и прочной структуры бетона [4-6] полагалось снижение объемной доли цементного камня, которое достигается только при оптимальном зерновом составе смеси заполнителей, что технологически реализовалось в применении сортировки и обогащения заполнителей. В результате, для достижения плотной упаковки рекомендуется применять фракционированный крупный и мелкий заполнитель (до 4 фракций крупного и 1-2 фракций мелкого заполнителя).

Как известно, принципиально значимым оказалось обоснование взаимосвязи прочности бетона с прочностью цемента и В/Ц-отношением. Формулы Н.М. Беляева [7] и Скрамтаева - Боломея до настоящего времени являются основой стандартного проектирования состава бетона

кб=к/к(Б/ц)п О-1)

Яб=А, ]1ц(Ц/В+0,5) (1.2)

где Яб- прочность бетона при сжатии, Яц- активность цемента, к, п,А -

параметры, зависящие от вида и качества заполнителя.

Повсеместное практическое применение экспериментально-статистических зависимостей прочности бетона от В/Ц-отношения, активности цемента и качества заполнителя повысить прочностные характеристики

почти в два раза [1].

Совершенствование строения бетона уже и на микроуровне позволило впервые заявить о бетонах, как о высокопрочных, высокотехнологичных строительных композитах.

Именно в 60-70 годы пришло осознание того, что потенциал повышения прочности бетона заключен в модифицировании микроструктуры цементного камня: повышении его плотности, регулирования объемного соотношения остаточной клинкерной составляющей, новообразований цементирующего вещества, микронаполнителя, регулирования водоцементного отношения, которое может быть достигнуто только при комплексном применении химических добавок. Основой научного прорыва в направлении совершенствования микроструктуры цементного камня явились работы школы акад. П.А. Ребиндера (Е.Е. Сегаловой, Е.С. Соловьева) по физико-химии поверхностных явлений [8] на данном этапе механизм действия добавок в цементных системах был изучен недостаточно комплексно, поэтому изменение структуры микробетона за счет применения первых добавок-пластификаторов добавок реализуется недостаточно осознанно и целена-правлено, что в результате не обеспечивает значительного п