автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Основы технологии цементного камня с повышенной прочностью при изгибе

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

Р Г Б ОД и СТР01ГГЕЛЬС1ТВА

■' * На правах рукописи

ПХУШАВОНГ вшмн

УДК 668.972.002.237/043.3/

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ ПРИ ИЗГИБЕ

Специальность 05.23.05 - строительные материалы и

изделия

Автореферат диссертации на сонсканле ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки и техники РФ И.И.Берней

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки и техники РФ действительный член Академии SKA академик И.А.Рыбьев

- кандидат технических наук, доцент ККА В.В.Большое

Ведущая организация - Академия коммунального хозяйства

им. К.Д.Панфилова

Защита диссертации состоится на заседании Специализированного Совета К.033.08.01 в Московском Институте коммунального хозяйства и строительства по адресу: I09I07 ГСП, Москва. Средняя Калитниковская ул., дом 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан,

Ученый секретарь специализированного Совета

Бунькин И.5.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЛ1ЮП1:

Актуальность работы. Традиционные строителышо материалы ужо не могут удовлетворить запросы современной строительной техники, главные пз которых - высокая прочность при небольшой массе; приближение величины прочности на ра.стядепио к прочности на «катив; возможность получения легких тонкостенных конструкции. Получение материалов, обладающих комплексом свойств, отвечающих этим тробо-ваниям, можно только за счет создания композиционных материалов, объединяющих лучшие качества различных компонентов.

Строительная индустрия била одной из первых отраслей техники, где были созданы композиционные материалы, как какроарМированныо (желозоботон), так и микроармироваппно (асбестоцемент). Их производство доводено до огромных размеров. Выпуск-же композитов па цементной осиово, армированных стекловолокном, синтетическими волокнами, стальными Фибрами, древесной стружкой, целлюлозой остается относительно мачт.

В последнее досятилотио производство асбестоцпмонта в высокоразвитых странах сокращается вследствие запрета на применение псбоста. Проблема замены асбеста не решена. Материалы, армированные синтетическими волокнами при их высокой стоимости, уступают асбестоцементу по тем или ним качественным и экономическим характеристикам. В этих условиях на порвый план выдвигаются задачи улучшения тохнпко-зкономичеекпх показателей мпкроармированных строительных материалов за счет полноценных заменителей асбеста и улучшения физико-технических характеристик цементного камня, применяемого в этих материалах в качество матрицы. Причем повышение прочности цементного камня при изгибе и растшении шло от общео значение для композиционных материалов поскольку от свойств матрицы зависят свойства композитов, армированных различными -волокнами. В нпстоящой работе, посвяшопной попншоштго прочности цементного камня при изгибе, ропаотсл важная часть этой актуальной проблемы.

Цементный камень с высокой прочностью при изгибе будет иметь такте повышенную прочность при растяжении, что важно но только для микрокомпозиционшк материалов, но и для экономичности явле-эобетошшх изделий и конструкций, нормируемые характеристики которых рключптт прочность бетона на растяжение при изгибе. К ним

относятся дородные и аородромниа плиты, розорвуари, многие элементы гидросооружений.

В современном бетоноведении детально исследовано влияние технологических факторов на прочность цементного камня при сжатии,1 что-ско касается ого прочности при изгибе, то оо связть о технологией изучена мало. Проподошше и работе исследования помогут устранить отот пробол.

Тема диссертации соответствует заданию министерства строительства Лаосской Народно-Демократической Республики от 27 июня 1991 г.

Цель работы. Целью работы явилось изучение но созданной методике зависимостей прочности цементного камни при изгиба от свойств цомонта; водоцомоитного отношения; режимов топловлакно-стной обработки; а та1же получение уравнений для расчетного прогнозирования прочности цементного камня при изгибе; создание основ для разработки технологии цементного камня с повышенной прочностью при изхт.бо, главным образом за счет применения обоснованного^ диссортации метода направленного структурообрязования в твордсющом цомонтном камно.

Научная новизна предопределена фактом малой изученности пробломц.

1. Установлена матомотичоская зависимость, связывающая проч-ночность цементного камня при изгибе с ого сродной плотностью, величиной водоцомоитного отношения, коэффициентом гидратации цемента.

2. Определена зависимость прочности цементного камня на изгиб от минералогического состава цемента.

3. Изучено влияние релитов твердения цементного камня в естественных условиях и после тепловлажностной обработки на прочность при изгибе и ей изменение по времени.

4. Доказано решающее влияние деструктивных процессов, раз-ниващгасоя в твердовдем цементном камно, полученном из смеси с водоцоментно^ отношешшм менее 0,20, на структуру материала и его свойства.

5. Разработан метод направленного структурообразовшшя в твердеющем цомонтном камно, применение которого ослабляет внутренние напряжения и повышает прочность.

Практическая значимость работы состоит:

В примоиоиип мотода направленного структурообразовшшл при твсрдешп; цементного камня, обсспочивающ&го ■ПОВШОНИО прочности.

В возможности иопипонпя кпчостяп композиционных материалов с матрицей на цементной основе за счет увеличения прочности при изгиба и улучшения структуры цементного камня.

В применении мотодикп оцонки пригодности цементов,выпускаемых промшиеппостью для получения цементного камня с заданной прочностью при изгибе.

В возмояностп прогнозировать прочность цемоитного камня при изгиба в зависимости o¿ технологически* условий ого получения п свойств цемента.

Апробация работы. Результат!) ныполмеппых исследования докладывались на конференции молодых ученых Тверского государственного технического университета (г. Тверь, 1092).

По материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Объем и структура работн. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка и,;пользование!'! литературы, вклгпагацего 70 патао-нонзшш. Основная часть работ« кзлат.спа па 120 страницах кгагло-писпого токе: а. Ссдер.'-ит 10 рисунков и 12 таблиц.

Метод направленного структуросбразованил в це-

ментном кс.мнп.

Матсуатпчосг.ио зависимости прочное:';! цементного камня пр:: изгиба от его сродной плотнеет:;, вогсцсмсптнсго ошегоипя, когТ'-<гициепта гпдратащш цемента, количества вовлеченного все,г,уха.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Изученность проблемы.

Нсслэдованипми процессов структурообразокашш и тг.орденпя В ВОДОЦОМЭИТНЫХ СМОСЯХ, CBOÍÍCTB цомонтного камня, полученного при различных величинах водоцементного отношения и твердевшего в различит условиях занимались многие отечественные) и зарубежные ученые: И.Н.Ахвердов, Ю.М.Божеиоп, Дя.Еерпал, С.БрунауЕР, П.П.Будников, А.В;Волженски!1, Г.И.Горчаков, В.Д.Глуховскпй, C.A.ftopoitoB, А.В.Нехорошев, Т.Пауоре, П.Л.Ребиндер, И.Л.Рыбьев, Б.Г.Скрамтаев, Х.Ф.Тейлор, Л.Е.Шейкин, В.Н.Юнг и др. В резуль-

- с -

тате исследований, выполненных в рпссматрилемой области, установлена сущность яялиний, происходящих при гидратации и творде-шш цемента.

Поело затпороиия цемента родой дифилышо молекулы послодпой адсорбируются на частицах вякущего. В результате топохимичеоких реакций образуются головая пленка вокруг частиц цомента, состоящая из гидросиликатов кристалло-гадратной структуры. Размер суб-микрокристаллов но Т.Пауэрсу (5-Ю) Ю-3 мкм. Одновременно в водной прослойке между зернами цемента из перешедших в раствор ионов появляются "внешние" гидросиликати, Из норвенщонного раствора вид деляютоя крупные кристаллы гидроксида кальция и эттрш1гита.

В твердоющом цементном пампе, но Л.К.Шейнину, в результате макрокристяллизации образуется кристаллический сросток, а в ого порах происходит макрокристаллизация голя-

П.Л.Рсбиндер считал важным условием получения цементного камня высокой ирочнооти срастанио криоталлогидратных новообразований. При этом наряду с кондонсационно-кристаллизацнонными контактами между частицами, часть контактов являются коагуляционны-ми. Эти контакты делают цементный камонь способным к пластическим дарормациш.

П.Н.Будников отмечал, что срастание кристаллов в цементном камне являотся далоко неполным, что открываот возможности его увеличения.

Параллолыю о накоплением внсокодиспорсинх частиц в геле йдат процесс ого старения, выражающийся в соединении частиц в агрегаты, уменьшении числа контактов между ними. Однако цемен-тнвй камень продолжаот набирать прочность, т.к. образование дополнительного количества гидратных соединений и связей можду ними не только компенсирует, но-и превосходит умоньшенио их за очет агрегации в процеосе старения. В дальнейшем, после завершения гидратации наиболее тонких фракций цемента и образования экранирующих утенок на крупных частицах вяжущего суммарная поверхность новообразования переходит через максимум и начинает уменьшаться. Кинетика этих процессов зависит от состава и дисперсности цемента, наличия жидкой фазы, температуры, при которой происходит твердение.

Твердение цемента сопровождается такжо уменьшением абсолютного объема новообразований в системе цемонт-вода за счот

контракции. Оба процосса - увеличение объема новообразований при гидратации влжущого и уменьшение их абсолютного объема за счет контракции идут одновременно.'Увеличение или уменьшение общего объема систем» оироделяотся поличиной водоцементного отношения, содержанием в цомонто гипса и трехкальциевого алюмината, томпературои смеси и другими причинами.

A.D.Болконский одним из rmpniix установил, что в цементном камне, особоино при малых В/Ц рост объема новообразований при малой пористости приводит к внутренним напряжениям за счет давления растущих кристаллов на затвердевший сколот системы. Било также установлено, что частицы гидратов размещаются в каше о прома^уткамн, объем и конфигурация которых обусловлена их индивидуальными особенностями и условиями твердения. Образующиооя . при этом пори влияют на физико-механические свойства и долговечность цементного камня.

Внутренние напряжения, изменение дисперсности частиц и пористости цементного камня при твердении вызывают в определенных условиях, сброс прочности по море уволичония продолжительности твердения и степени гидратации цемента.

Доструктивпыо процессу в цементном кяшо, вызванные внутренними напряжениями, влияют в различной степени на прочность цементного камня при сжатии и изгибе. Создаваемое ими напряженно растяжения значительно сильное снижает прочность цементного камня при изгибо и при растяжении по сраппоншо с прочностью при сжат шт. В этом главная причина изменения соотпошония можду прочностями на растяжение и ехдтио цоментного раствора с увеличенном срока твердения. Это соотношение, по данным А.Е.Иейкпна, уменьшатся для бездобавочного портландцемента с 7 до 59 за 180 суток при В/Ц =0,4, что имоот непосредственное отношение к тома и направлению исследований п настоящей диссертации.

Анализ ранее выполненных работ показал, что все они, за редким исключением, посвящены влиянию технологических факторов на прочность цементного кемня при сжатии, а влияние деструктивных процессов на прочность цементного камня при изгибе оставалось но раскрытым-.

В опубликованных работах мало изучены возможности уменьшения внутренних напряжений в цементном камне, особенно после его-топловлаяностнои обработки. Без уменьшения внутренних напряже-

кий прочность цементного камня при изгиба, особенно полученного при малых В/Ц, но может бить существенно уполичина.

Эффективность повышения прочности при иэгибо цементного кш.шя, и повшюння прочности при растяжении композиционного материала с диспорснпм армированием, л котором цемоптинй комонь используется в качестло матриц», зависит от нескольких главных факторов; объемной концентрации, длшш, диаметра волокна и композите, соотношения меекду величинами модулой деформации волокна и матрицы при растяжении, величины сцепления модду волокном и _матрицей. Указанные {акторы в зависимости от свойств волокна и технологии композита могут изменяться в широких продолах. Поэтому и вклад прочности матрицы в прочность композита но может быть выражен одной величиной. Прнводенннй и работо ориентировочный расчет, выполненный по уравнению сносей (уравнению аддитивности) показывает, что прочность на растяшшо матрицы может составлять от 0,25 до 0,9 прочности на растяжение композита. При увеличении прочности цементного калия при изгибе соответственно увеличивается его прочность при растяжении и прочность композита пропорционально произведению объемной доли матрицы на относительное увеличение прочности последней.

Общая методика исследований. В практике отсутствует общепринятая методика изучения прочности цементного камня при изгибе» п том число и методика получения образцов цементного камня для испытаний.

• В данной работе применялись образцы с отнршениом длины к толщине более 5, что снижало влияние на величину прочнооти при изгибе касательных напряжений.

Толщина образцов изменялась от 0 до 10 мм. Столь малая толщина связана о тем, что цементный камень с высокой прочнос-. тыо при изгибе используется & качестве матрицы композиционных материалов,, применяемых в тонкостенных конструкциях или при выпуске лиотов. Длшш образцов была 93, ширина 30 и толщина 5-10 мл» которые Взлучолвдь поперечной разрезкой на две части формовавшихся плиток длиной 187 и шириной 30 мм.

В основных экопоримент!1х нснользовалиоь оыпучие, полуду-хив омеси о подоцемеитным отномеиием (В/Ц) от 0,15 до 0,20. Все смеси состояли только из цемента и воды, боз заполнителей и добавок. • '

Смеси готовились при ручном перемешивании. Из них в герметичной разборной форме изготовлялись образцы. Уплотнение смесей выполнялось на стандартной лабораторной виброплощадке с гравитационным пригрузом.

Величину пригруза и продолжительность уплотнения определяли экспериментально из условия получения коэффициента уплотнения не менее 0,97, который измерялся по особой методике.

Сформованные плитки разрезались на образцы, хранились в лабораторном помещении I сутки. По истечении суточного ввдержива-ния образцы замачивались в течение 2-х часов, после чего проходили пропаривание в лабораторной пропарочной камере. Отдельные партии образцов твердели в естественных условиях, без продарива-ния, в одной из трех сред: - на воздухе (относительная влажность 70-00$); - во влажной среде (над водой в эксикаторе при влажности более 95%); в воде при температуре 20+2°С. Продолжительность твердения от 7 до 20 суток, а в отдельных партиях до 100 суток.

Испытание образцов на изгиб производилось на установке типа РШ-250 с точностью измерения усилия 0,1 кг. После испытания на изгиб, образцы высушивались до постоянной массы, измерялись, взвешивались, а затем вычислялась их средняя плотность.

По особой методике, определялся в образцах объем вочлечен-ного при формовании воздуха.

Методика специальных исследований будет рассмотрена при их описании.

ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ПРИ ИЗГИБЕ ОТ ВОДОЦЕШГШОП) ОТНОШЕНИЯ, СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ И СВОЙСТВ ЦЕМЕНТА

Зависимость прочности цементного камня при изгибе от величины водоцементного отношения необходима для определения оптимального количества воды в водоцеМентной смеси (предназначенной для получения цементного камня), при котором прочность достигает максимальной величины. Такая зависимость получена в работе на основе использования теории искуственннх строительных конгломератов (ИСК) проф.' И.Л.Рнбьева.

Из уравнения, выражающего закон прочности оптимальных структур ИСК: Rm (Ст/<Рт)" - const.

где: Rm - прочность плотного конгломерата, определенная при из-

вестных температуры среды и скорости деформирования; Ст/<Рт - отношение массы жидкой среды к массе твердой фазы.

Из теории ИСК получена зависимость прочности цементного камня (микроконгломерат по И.А.Рнбьову) от водоцементного отношения. В наших обозначениях эта зависимость выглядит так: /;> _ . Ям

' V» ' (I)

\в/ц0)

Обозначения: Ян , Яни - прочности цементного камня при изгибе

соответственно при В/Ц и его оптимальном значении В/Ц.; п - по-о и

стоянная.

Возможность использования этой формулы при рассмотрении зависимости прочности на изгиб цементного камня и композиционных материалов с цементной матрицей (асбестоцемент, арболит) доказана И.А.Рыбьевым экспериментально / 16 /.

Прологарифмирован уравнение (I) получим: = >

= фъ« - п^в/ц + пе^в/ц. . (2)

Поскольку величины йим , а такио пВ}в;ца - постоянны для данного уравнения, отложив найденные из экспериментов значения переменных ф Я и на вертикальной оси, а ф. в/ц - на горизонтальной получим пряную, тангенс угла наклона которой к горизонтальной оси будет равен постоянной - п

В нашем случав максимальную величину прочности на изгиб

и соответствующее ей оптимальное значение водоцементного' отпошения В/Цо-находят из экспериментов при 5-7 значениях Яи и В/Ц, Для сокращения числа экспериментов и увеличения точности предложена методика определения/?** и В/Цд, основанная на использовании уравнения (2). Она заключается в следующем. Выбирают 4 значения В/Ц, из которых 2 заведемо меньше, а 2 заведено больше оптимального, значения В/Ц, ротного В/Ц . Получают по принятой технологии при указанных 4-х значениях В/Ц - 4 значения Затем в координатах у = ; а: = ^в/ц строят зависимости

°т 6}в/Ц • Эти зависимости, построенные для г >ух цементов, показаны на рис. 2. Они выражаются, как это следует из теории ИСК, двумя нршыми, из которых одна соответствует измене-

ншо fín при D/Ц меньшие оптимального, а вторая - больше оптимального и соответственно отрицательной и положительной величинам постоянной п в уравнении (2) .* ЗначеПие.-В/Ц для точки пересечения этих прямых будет равно (с точность» 2-5%) оптимальному В/Ц0, а значение Яи - максимальной его воличине /¡W при данных свойствах сырья и технологии.

На рис. 2 для построения графика использовалось болео двух точек на одной прямой, все они с вполне достаточностью расположились на прямых. Поэтому возмокно сократить число экспериментов при В/Ц большем и меньшом оптимального до 2-3.

Многократно выполненные эксперименты во всех случаях подтверждены справедливость формулы (2), Оно. и выражает влияние водоцементпого отношения на прочность цементного камня при изгибе.

На рис. I при изменении В/Ц от 0,20 до 0,22 наблюдается прекращение изменения R* . Этот Интерпол совпадает с интервалом перехода от водоцемонтной сыпучей полусухой смеси к водонасыщен-ной смеси типа паст. Значения постоянной п для прямых о, = -1,92 ог = -2, Ь, = 1,53, Аг= 1,69, С, = 1,50, Сггг 1,59.

Лля получения зависимости между прочностью при изгибе Ry и средней плотностью д цементного камня, использовались, как рядовые портландцемент!!, выпускаемые Пикалепским, Белгородским, Воскресенским и другими завода/ли, содержавшие до 20$ активных минеральных добавок, так и специальные боэдобавочнно цементы, предоставлошше Подольским опытным цементным заводом НШЦшента, минералогический состав которых изменялся в широких пределах.

Эксперименты показали, что обнаружить общие закономерности при изображении зависимость Яи = f(fl) в обычных координатах -не представляется возможным. Поэтому использовалась степенная зависимость между прочностью на изгиб и сродней плотностью цементного камня, которая ранее применялась по отношению к прочности бетона на сжатие в формулах Форе, Шейнина и др.

В качестве исходного использовали уравнение: *и _ ГЛЛп

~fí~ ~ .(/?/ ' (3)

гдо RH , ff, прочности при изгибе цементного камня плотностью

fe и ц ; и - постоянная.

Г-слн грести в ото уравнение коэффициент

м

10,0

1в,0

ч,о

Н4Г

Зависимость прочности при изгнав цементного камня от воаоцемвшного отношенчя лло цемента V 2?.

4« о, 14 о,16 о,1в я го о,а 0,14 цгв о,г$ В/Ц

Рис 2 Зависимость прочности при изгивв цементного камня от лолоцемвнтного отношения, посгро^чюя в лоеорифиичес* ки\ координатах.

, Условные обозначения: © Цемент ¡в. ® Цемент /V' 22.

Сд В/Ц

полус ухая цемент но-балнап смесь .

А] цементное

тесю

величина которого будет постоянной поскольку величины/?,,рг,п для материала данного состава но изменяются, то зависимость (4) может быть представлена в вВД0:

= Ъпя*1 , (5)

Коэффициент будет характеристикой материала данного состава при изменении его сродней плотности. Если же будет изменяться состав, технология, то будет изменяться и величина &иу

Величину по аналогии с термином, применяемым в технологии композиционных материалов, будем называть коэффициентом прочности.

При одинаковой технологии цементного камня коэффициент прочности будет определяться только свойствами цсмонта, и применяется в работе для оценки цементов различного состава в отношении прочности при изгибе полученного из них цементного КВШ1Я.

Логарифмируя уравнение (5), получим:

бгЯи = + п£прс , (5)

Последнее уравнение в логарпфмэтических координатах у = гп/?;, х-&рс выражается прямой. Соотвотствно этого уравнения экспоримен-тальнш данным проверялось с использованием результатов, полученных в 15 сериях опытов. В этих опытах применялись 6 цекзнтов различных партий с разных цементных заводов, 15 серий образцов, из которых формовались при изменении В/Ц от 0,15 до 0,20.

Для 16 серий опытов на ЭВМ по способу наименьших квадратов были определены постоянные уравнения (6):

Спви гг 4,45 - эг,035 , (7)

Затем, с применением корреляционного анализа на ЭВМ была проверена теснота расположения экспериментальных точек (см. рис. 3) по отношению к прямой, выражающей уравнение (7). Коэффициент корреляции оказался равным 0,973, что свидетельствует о достаточной для практического использования тесноте овязи между уравнением и экспериментальными данными.

7,900

7,6 ОО

¿пр.

РИС.3: Зависимость между логарифмами прочностей при

изгибе я плотностями образцов цементного камня в 7 сут. возрасте после пропарки

Условные обозначения: ® Экспериментальные

— Прямая построенная по уравнению наименьших квадратов

Для оценки адокватности модели была рассчитана на ЭВМ дисперсия неадекватности, критерий неадекватности Фишера. Эти вычисления показали, что модель значима при уровне значимости 0,05.

Таким образом била доказана возможность использования уравнения (7) для вычисления в зависимости от ß

Для упрощения вычислений уравнение (7), было потенцировано, Яц выражено в .нанапаскалях (НПа), ß - (кг/м3), после чего уравнение (7) приняло вид:

ff„ = (Щ (Q)

Это уравнение можно использовать для прогнозирования при изменении В/Ц, если вместо ß. подставить ого значение, выраженное через В/Ц по формуле, полученной в работе

р _ кг С - Уе) ' (9)

с 1/з,1 + в/ц где Кг - коэффициент гидратации цемента, равный отношению Цр/Ц, где Ц, Цг - масса цемента соответственно до и после его гидратации; Щ - объем вовлеченного воздуха в долях от объема цементного камня.

Изучаюсь также влияние удельной поверхности цемента на прочность цементного камня при изгибе. Оказалось, что увеличение удельной поверхности от 2200 до 3300 см2/г, т.е. на 50% приводит к увеличению прочности при изгибе на 20-25%.

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ПРИ ИЗГИБЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ТВЕРДЕНИЯ

В твордонии цементного камня, бетона и других цементных композиций, включающем тепловлажиостную обработку (ТВО) можно Еыделить три периода: первый - от окончания формования до начала ТВО; второй - ТВО; третий - после ТВО. Результаты экспериментов по влиянию длительности выдержки цементного камня до ТВО на его прочность при изгибе были изложены ранее. В.этом разделе рассматриваются второй и третий периоды твердения.

Твердение -в естественных условиях,. без ТВО изучалось при выдерживании 7, 14, 20 суток (а в отдельных опытах до 90 оуток) в трех средах: в воздухе влажностью 70-80$; во влажной воздуш- , ной среде при относительной влажности более 95$ (в эксикаторе

над водой); в воде. Температура всех трех сред поддерживалась на уровне 20+2°С.

По истечении каждого из указанных срок зв испытывались на изгиб с последующим измерением средней плотности по 4 образцам, что обеспечивало получение результатов с отклонением +5% от среднего. Результаты экспериментов приведены в табл. I.

Таблица I

Прочность при изгибе цементного камня, твердевшего в естественных условиях

й ц/п Условие твердения в зависимости от продолжительности твердения (МПа)

7 суток 14 суток 28 суток

I на воздухе при относительной влажности 70-80$ 15,0 17,0 13,6

2 во влажной среде при влажности м> 95% 13,0 15,0 12,2

3 в воде 14,9 17,0 10,4

После 7 суток наибольшая прочность при изгибо была при твердении на воздухе - 15,0 МПа, меньшая - 13,8 МПа, во влажной сраде и 14,9 Ша в воде. К 14 суткам твердения во всех трех средах прочность увеличивалась примерно на 1-2 МПа, а затем в период от 14 до 20 суток - уменьшалась.' Наибольшее падение о 17 до 10,4 Ша (на 39$) произошло при твердении в воде, меньшее, о 15,0 до 12,2 Ша (на 22%), во влажной среде и с 17 до ' 13,6 МПа (на 205?) на воздухе. В наиболее благоприятных условиях дяя гидратации цемента при твердении в воде сброс прочности оказался максимальным. Объяснение этого явления однозначно - сброс прочности вызывается увеличением внутренних напряжений, и его величина том больше, чем интенсивное идут процессы гибратации цемента и накопления новообразований в порах цементного камня.

, Влияние ТВ0 на йц изучалось при проваривания цементного камня, изготовленного, при В/Ц - 0,10 и 0,19 по В режимам. Из них, 4 режима называются жеоткими и включают подъем температуры за 3 часа до 90-95°С и изотермическое вндор^иванио при этой температуре 3, 5, 7 и 10 часов (реяими обозначались соответственно:

Н-3, К-5, 1-7 и Ж-Ю). Другиэ 4 рачима - мягкие, с подъемом температуры изотермического прогрева за 2 часа до 60-Л5°С и выдерживании при этой температуре 3, 5, 7 и 10 часов (режимы Н-3, М-5, Н-7 и М-10), ,(см.рис. 4).

Проиариваниз производилось в лабораторной пропарочной камере, с автоматическим управлением температурным режимом.

Исннтпнио образцов на йи производилось через 3 часа после окончания пропаривания, а затем образцы высушивались до постоянной кассн, определялась средняя плотность.

Анализ полученных данных показал, что /?« цементного камня при ТВО по жестким режимам больше по сравнению с Яц при мягких режимах в сродном на 37? при В/Ц = О,К и на 31? при В/Ц = 0,19. Величина средней плотности образцов при ТВО по жестким режимам такте больше чем при использовании мягких режимов.

Увеличение при изменении продолжительности изотермического прогрева с 3 до 10 часов по жостким режимам составило в среднем В? при В/Ц = О,К и 40? при В/Ц = 0,19, а по мягким режимам - п пределах точности измерений. Величина средней плотности практически на изменялась.

Исследование влияния условий твердения цементного камня после пропаривания на Яи производилось при пыдорживашш образцов в тех ;ко средах: на воздухе, во влажной среде, в воде. Сроки испытаний - через 7, 14 и 213 суток после пропаривания. '

Было обнаружено, что цементнош камня, твердевшего в воздухе влажностью 70-о0?, падает пп 30—10? после того, как образец помещается на ;>-7 суток в поду или во влажную сроду (но 95!?), что но характерно для столь водостойкого материала, каким является портландцемент. Как высокая прочность при твердении в воздухе, так и ею репкоо уменьшение при увлажнении цементного камня объясняются, по-видимому, лойстиием сил кяшмлярного сцепления.

Поскольку нребнваише изделии, содержании цементный камень во влажной атмосфере, неизбежно, то оказалось необходимым окончательно оценивать прочность цементного камня при изгибе после выдерживания ого пород испытанном п течение 7 суток, во влажной среде, с относительной платностью нп менее 95?. Эта прочность названа эксплуатационной прочностью цементного камня при изгибе.

Результаты исследования твордшшя цементного камня поело

I

18,0 П,0 16,0 >зр

'о

9 .„

¡5 |

а £

ПР

10,0

г»1

Г 2,10'

О,

5 V*'

а

О

« £04-1,00

7,

05 I

злзтосп снвсх(з/и). 0.16 \ И-19 1 0,16 1 0,19 о.ш | с,:9 | о.1 е | 0.19 0.16 \ С,,'? а -.6 \ С.-6 ; 0,19 | О.И | С.19

■*ОСГъ П0ОПОР148аН*Я- ж-з ] ж-5 Ж -7 1 Ж- ю М- 3 М-5 М-7 М- 10.

?пс. 4. Прочность при изгибе л плотность цементного хг^нл, измеренные после пропарки но разлзчнкм ренамам. 7словннэ обозначения:

Щ - прочность при изгибе цементного камня [] - средняя плотность цементного камня

пропариваннл дани в табл. 2 и показали на рис. 5. Изменение /?„ при различных рожимах твердения показаны на рисунке сплошными линиями, которые пронумерованы в соответствии о номерами режимов, указанных в урловннх обозначениях. Для сравнения, на том-же рисунке, приведены значения йи , полученные при твердении без пропариванил.

Анализ кинотикн твердения ведется путем сравнения Яц в различные сроки с его величиной, измеренной сразу после пропариванил.

При твердении на воздуха, к 7 суткам после ТВО, Ян увеличивалась с 13,0 до 21,7 Ша, оставалась па этом уровне в течение следующих 7 суток, а к 20 суткам возросла до 24,5 Ша (т.е. в 1,04 раза), затем, после выдерживания 7 суток во влажной среде, снизилось до 'эксплуатационной прочности, равной 10,0 Ша (т.е. на 25,5$). Это свидетельствует о влиянии на Яи сил капиллярного сцепления.

При тмпрдшпш во влажной среде, наблюдается сброс прочности к 14 суткам и рост в период 14-20 суток. Эксплуатационная прочность при В/Ц = 0,10 и режиме Е-5 (линия 2 на рис. 5) на 30% выше, чем при В/Ц = 0,19, и режиме М-10, что создает возможность значительного увеличения /?„ за счет применения малых В/Ц и жестких режимов пропариванил.

Выдерживание в воде цементного каш я после пропаривания дает очень низкие результат» по величине Яи , которая но превышает к 20 суткам. 10 Ша. Для получения цементного камня с високой прочностью при изгибе твордонио ого в водо противопоказано.

Цементный камень максимальной эксплуатационной прочностью /р„ = 10 МПа может быть получен при формовании без прессования, на стандартном внброоборудовании, из смеси с В/Ц =0,10 с соблюдением оптимальных условий начального твердения-(до ТВО). найденных в работе, с пропариванном по режимам К-5 или М-10 и выдер-живаниом после ТВО на воздухо во влажной сродо. Эта прочность на 23% превышает величину прочности цемонтного камня такой-же плотности (2030 кг/мп), известную из литературы (14,7 Ша).

Дальнейшее повышение прочности тробуот разработки и применения новых технологических приемов.

I

18

?

H •

ОНИ оччхютмао год ~ v 0/m оинчюмили HHWrj ijovdau дюоц — о I54 D/ftY ou ччюзало ничто хлве аюоц — о ■ei. члхньоаи иошюиНсчошпх^

с"

iff

О* • • л

s s-

ti

s <е g

- Sr ?..

$ л S ? л С:

s.» 'nOs

I & fe^ С

* $ § S 5

$ tx £ S «

im*

îïïgi un*

« »i fSfrP

5Г (y i

Тайлаца 2

Злаянае условий твердения на прочность цгиентного камня ара азгабе

реза7 3/Ц ."02 | 1 Разам ароаа-рива-ная Среда таерда- ная аосле арошра- заязя Яи (Ха) аосле ароаараЕаная в сутках йц СЛХа) посла 1-2 стадаа СТЗр Я*СЛПа) после 2-й стадяа СТЗО

посла ДО- аарка 3 часов ! 7 сут.! 14 сут. 1 < 28 сут 28сут+ 7сут. • ВО злаязо среда 7сут.+ 1Сцазг. I 7су?.+ Юсзш. +7сут. 30 злггной соеге аосле сушка после стзка +7сут.зо глазной среда

- г ! без | арса. зоздух 15,30 115,80 13,50 13,40 23, СО 18, СО 30,30 27,30

2 С, 13 | 2-5 203Д2Х 15,20 13,70 .14,40 17,50 17,50 20,90 | 19,10 30,80 29,40

3 ¡С,1=;:.!-1С 1 зода 13,20 1 11,30 | 9,20 | 9,90 3,40 20,40 | 15,30 24,40: 14,40

тд \ ! воздух ^ и ^ > 2 .¿. > с0 24,50 ! 18,00 * 1 24,10 ; 21,20 23,50! 23,30

5 ; С, ГЗ ! и-1С ¡зода 13,50 | 8,20: ' 3,1С 1С,30 10,10 23,60 | 2С.20 27,10| 9,90

3 .0,19 13,20 ! 12,20 ! 9,90 1 1 . 12,20 12,СО 18,80 17,30 22,50| 22,90

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРГОЛЕ11ТЛЛЫ1ЛЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА

илпрдшштюго стругсгурообразования в твердеющем

ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ

В твердеющем цементном камне возникают внутренние напряжения, вызванные кристаллизационным давлением растущих их жидкой фазы кристаллогидратов, изменениями влажности и температуры окружающей среди, Приводяндоми к усадке, набуханию, деформациям термоупругости. За счет внутренних напряжений особенно заметно снижается прочность цементного камня при растяжении и изгибе и, в меньшей степени, при сжатии. Как показано в табл. I, падение прочности цементного камня при изгибе за счет действия внутренних напряжений может достигать 39£ в пориод с 14 до 20 суток твердения в воде. Максимальный сброс прочности был в условиях наиболее благоприятных для гидратации цемента, что доказывает прямую связь роста внутренних напряжений со степенью гпбратации вяжущего. А.В.Воллонский, раскрывая причины возникновения внутренних напряжений, доказал, что объем пор в цоментном камне далеко не достаточен для размещения частиц новообразований, поэтому при увеличении объемной концентрации новообразований до 0,55-0,05 смэ/см:11 прочность при растякенпн растет, а затем значительно уменьшается, проходя чорез максимум. Аналогично изменяется и прочность цементного камня при изгибе.

В литературе нет экспериментальных данных о величине и кинетике падания прочности цементного камня при изгиба за счет до!1ствия внутренних напряжений при твордешш в различных тогшо-влаетостннх условиях. Эти данные,полученные в данном исследовании, приведены в табл. 4.1 диссертации. Они показывают, что цель существенного повышения прочности цемонтиого камня при изгибе, поставленная в диссертации, не г.'.ояот быть достигнута без снятия или хотя бы уменьшения внутренних напряжений. Гошпть рту проблему предложено за счет направленного структуроибразовашш в ввердеющем цоментном камне. Методика направленного структурооб-разования (сокращенно - МПС) разработана проф. И.Г.Борноом и впервые экспериментально проворена в этой работе.

Главныо цели МПС: I. Ролаксацпл внутренних нлнрл/.ений в цементном кампо параллельно с углублением стпнопи гидратации цемента. 2. Образование однородно!'' мелкокристаллической структуры в цементном канне. 3. Попшюпио прочности связи г.етду структурными

ними составляющими цементного камня за счет постепенной замени ваццерваальсовых связей химичоскими - силокспповими O-Si-O внутри кристаллов и связями типа О-Са-О между кристаллами.

Пути осуществления направленного структурообразования разработаны на основе общей тоории твердения и сследова$т'| физико-химии собственных дофориаций цементного камня, выполнопних проф. Н.Г.Красильнпковым и его учениками.

Сущность ШС в общем вндо можно продотавить следующим образом - но мере увеличения гидратации вяжущего п цементном камне и роста внутренних напряжений до опасного уровня, о чем можно судить по прекращению или началу падения прочности при изгибе, принимаются меры по релаксации юнутрошшх напряжении; когда релаксация достигнута, создаются условия для дальнейшего углубления гидратации п увеличения прочности; когда увеличение'прекратится, снова возникает необходимость в релаксации внутренних напряжений. Процесс является многоступенчатым и включает несколько циклов, пока гидратация в данных условиях не приблизится к максимуму. Зто первая стадия 1.ШС, внедрение которой показало, что достигнутое увеличение прочности заметно снижается при водо-паепщении цементного камня. Следовательно, связи., образовавшиеся между кристаллами на парной стадии МПС, но водостойки, и осуществляются главным образом за счет вандерваальсоиых сил.

На второй стачии МПС создаются условия для уволичония в цементном катаю химических можчп^тичних связей, повышающих и прочность, и водостойкость.

Пзлолонные пнию результаты достигаются за счет онродолон-нцх физических воздействий па цементный камень.

Релакссация, как известно, петь свойство материала рассенва вать внутренние напряжения под действием теплового движения молекул. Поэтому для релаксации внутренних напряжении цементный камень подвергается нагреву до температуры 40-45°С и вндоржива-пию при это!! температуре в течонио 24 часов.

Водоносмщение и нагрев цементного камня - составляют один цикл первой стадии МПС.

Длительный погрев цоментного камня может привести к снижению его влажности и прекращению гидрятацни. Чтобы этого но случилось цемеитппй камень перед патроном насыщается содой.

Длительное выдерживание цоментного камня при томноратуро 40-45°С кроме релаксации внутренних напряжений сопровождается п другими явлони/ми. Происходит за счет поверхностной дивизии, характеризуемой малой энергией активации и не требующей высокой температуры, обмен ионами, находящимися на поверхности частиц в неустойчивом состоянии. Переход ионов осуществляется в результате увеличения амплитуды тепловых колебаний и приводит к исправлению дефектов кристаллического строения, а главное к объединению мелких (гелевых) кристалликов, в более крупные кристаллы, т.е. к собирательной рекристаллизации. В то же время подсушка цементного камня ло время вцдержипания вызывает усадку, сближающую частицы до расстояния, на котором проявляются действия ван-дерваальоовых сил и в меньшей мере возникновение близкодействующих связей химической природы, для которых требуется сближение на меньшее расстояние.

Повторение замачивания и нагрева несколько раз также имеет важное значение для структурообразогания. Как показал И.В.Кра-силытков с увеличением числа циклов нагрева растет и становит-оя-все более необратимой уоадка, ведущая к сближению и физико-химическому взаимодействию кристаллов.

Очень важным фактором сжатия твордеющей системы и сближения ее частиц являются капиллярныо силы, возникающие при снижении влажности нагревагащегооя цементного камня и достигающие весьма большой поличины. Они содействуют образованию связей между частицами и необратимости усадки.

Рассмотренные структурообразующие явления проходят на микроуровне и заметно не влияют на размеры и среднюю плотность системы в целом.

Осуществление циклов увлажнения и низкотемпературного нагро-ва на первой стадии ШС приволо (см. табл. 2 и рис. Б) к увеличению прочности но сравнению с прочностью цементного камня того . же возраста (30 суток), но твердевшего без направленного струк-турообразования на П-27С^, в зависимости от условий твердения до применения ШС. Причем, наибольший прирост прочности показал . цементный камень твердившая до применения ШС после пропарки, твердевший л водэ (линия 5), л наименьший - при тпорденпн поело пропарки на воздухе.

Бндоржппашю цементного камня поело 10 циклоп увлажнения и нагрева по платной сродо (с влажностью 95$) в точоние 7 суток ириволо к падании прочности всех образцов, пезаписшо от режима тпердпния. |1апбольтсо уменьшение прочности на 25-30?, произошло в цемонтном камне, которш'1 перед обработкой твердол в воде (линия 3 а 5). Достигнутый уровень прочности цементного камня при изгибе после 10 циклоп обработки по !Л1С па 1-й стадии (если исключить твердонио л воде, которое неприемлемо ввиду сильного последующего падоиил прочности) но провышал после 7 суточного выдерживания ш влажной сродо - 21 Ша, что лтшо недостаточно.

Относительно нозисокал прочность иомонтного качнл при изгп-бо достигнута поело первой стадии направленного структурообразо-пания, а значительное умоньшоино прочности поело пребывания во влажной средо показало, что на первой стадии обработки, несмотря на то, что коэффициент гидратации увеличатся о 9,63 до II,19*. связи между структурными элементами цомонтного камня являются, главным образом, санлорпаальсовнм:!, а не, химическими. Дал превращения вандерваальсовых евгоей в химическио, а контактов между частицами из коагуллцпотпос в конденсациошшо, необходимо сблизить частицы до меньшего расстояния и уменьшить в цементном камне количество.води. Эти цели могли быть достигнуты нагреванием цементного камня, прошедшего перрув стадию направленного струк-турообраэования до более высокой'томиэратури, чон температура нагрева па первой стадии; Ири этом сближения частиц происходит за счет увеличения нэбратимой усадки на микроуровне и роота капиллярных сил, еяюлагацих.;цоменгинй камень, Одновременно увеличивается поверхностная■ диффузия вследотвиэ роота амплитуда тепловых колебаний ионов.

В соответствие ó изложенным, нагрев цементного камня до температуры I05-II0°C в течение 24 ч. в воздухе о влажностью 00-<50¡S составляет вторую стадию И!С, о применением которой предполагалось достичь указанных целей.

Экспериментальные данные, приведенные в табл., 2 и рис. 5, показывают, что вторая стадия ШС является эффективной. Эксплуатационная прочность на изгиб (после 7 суточного выдерживания во влажной ороде) при пенольэопании 2-й стации ШС увеличилась до 27-29,5 Ша, что на 17-23?? больше наивысшей прочности, получен-

ной поело первой стадии MIC.

Как показывает рис. 5, пндорштанио 7 суток во влажной среде сшгкаот прочность цементного камня при изгнбо всого лингь на 5-7£ против 25-30^ после I-í¡ стадии. Ото значит, что межчастичные связи столп водойстошшми.

Средняя плотность цомонтного камня до и поело двух стадии ШС оставалась практически постоянной, pannoii 2050-2100 кг/мэ. Следовательно, уйеличоние прочности произошло за счет более совершенной структуры цементного камня на микроуровне.

Изучение структуры цементного камня, твордевшего в различных условиях, и обработанного спгласно ШС, производилось на сканирующем электронном микроскопо Cam Scan - ¿¡ фирмы Cambridge Instrument. Анализ полученных микро'Готографий, которыо приведены в диссертации, подтвердил изложенные выше продставлоиил о процессах структурообразованил, происходивших при использовании ШС.'

Исследование структуры цементного камня с помощью сканирующего электронного микроскопа выявлено и новые явления, которые дополняют представления о причинах достигнутого высокого уровня прочности при изгибе. Оказалось, что пооло двух стадий обработки по ШС, в цемонтном камне произошло сратанне кристаллов в ленты и жгуты длиной до 30 мм,'которые сопоставим]! с длиной углеродных и боровых микроволокои, прпмоняомнх для получения КОМПОЗИЦИОННЫХ материалов особо высокой прочности. Отн ленты и жгуты могут армировать цементный камень. Самоармирование цементного камня несомненно внесло большой вклад в достигнутую высокую прочность цементного камня при изгибо.

Изложенные сводешш о ШС слодуот рассматривать, как теоретическую и экспериментальную основы дал разработки производственной технологии высокопрочно)" цементной матрицы и ее применения в композиционных материалах.

Принципы, залат.онные в ШС, могут найти применение не только в технологии цементного камня, по и в технологии батонов.

Основные выводы

I. Доказана возможность получения на рядовых портландскнх цементах цементного камин с прочностью при изгибе до 18 МПа при условии использования рекомендуемых в работе технологических условий уплотнения смоси без проссопапил, на стандартной пнбро-

площадке с притруэом.

2. Прочность цементного камня при иягибо (/?„ ) в зависимости от велнчинн коэффициента прочности (flUy) и сродней плотности (Я ) вчршхаотся стеленной функцией /?«= /¡Wj?4''5.Выршкая среднюю плотность камня чорез коэффициент гидратации цементаоС л- ), ло-доцоментное отношение (В/Ц), плотность цемента ) и, учитывая объем воздуха,вовлеченного при формовании образца {Vg ), выраженный н долях объема свожвсформовашюго цемента камня, можно представить прочность цемонтиого камня при изгибе формулой

75 ~ 1Г

которая пригодна для расчетного прогнозирования прочности цементного камня при изгибо в возраста 7 суток при известных коэффициенте прочности, водоцементном отиошошюм сырьевой сноси и коэффициенте гндрптации цемента. Объем вовлеченного воздуха измо-няотоя мало и принимается постоянным, равным 0,04.

3. Оптимальное водоцомонтное отношение (В/Цд) смоси, предназначенной для получения цементного камня, соответствующее .

закон? прочности ИСК обоснованного П.Л.Рыбьовш,получается Ю уравнения

а Ним

ПЦ —

I В/Ц*)

по предложенной в диссертации методике.

4. Характеристикой, оцештшощой цемонт в отношении прочности при изгибо приготовленного из него цементного камня может служить коэффициент прочности - йиу (см.внвод 2).

Оптимальным по минералогическому составу беэдобавоч№ ный цемонт ,при использовании которого коэффициент прочности цементного камня максимален характеризуется высоким содержанием элита (до 65$) при среднем (до 6%) содержании СзА .

5. Цементный камень, полученный из рядовых цементов, содержащих до 20$ разрешенных стандартом п.ктттих добавок, имеет коэффициент прочности при изгибе меньший но сравнению с камном из бездобавочного цомонта опт шального состава в среднем на 8-10$.

6. Цемоптшш камень, прошедший щюпярку обладает в воэрпс-то 20 суток попмшонной в среднем на 30$ прочностью при изгибе но сравнению с кпмнпм естественного твердония.

7. С увеличенном продолжительности твердения прочность цементного камня.при-изгибе сначала растет, а затем падает, вслед-ствии возникновения внутренних напряжений. Продолжительность твердения, при которой прочность максимально зависит от свойств цемента и условий твордония.

С. Применение метода направленного структурообразования при твердении цементного камня теоретически обо .того и окспери-монталыю проверенного в работо позволяет к. . л> на рядовых цементах о использованием для уплотнения полусухой водоцементной смеси, стандартных впброплощадок, цементный камень с прочностью при изгибе дс 20- МПа при плотности 2000-2100 кг/м3, что болео чем в 1,0-1,95 раза больше максимально" прочности при изгибе цо-макткого камня той ко плотности, нолученц. г.'о из того жо сырья по традиционно!'! технологии.

'9. Исследованиями па электронном сканирующем микроскопе показано, что в•цементном кампо, в результате его обработки с использованием методики напраплонного структурообразовапия, происходит срастание кристаллов за счет химичпекнх связей с образование!.; лепт п жгутов длиной до 30 микропмотров, сопоставимых по расморам с нитевидными кристаллами, применяемыми для получения пои;«,: коышзпцпошшх маторпалов, и способными армировать цг'.юнт-п::й камень, что являзтея одним из факторов значительного увеличения ого прочности при изгибе бег; пзмонинин средней плотности.

По теме диссертации автором опубликованы следующие работы:

1. Цементный камень высокой плотности и прочности - получение, свойства. ХУЛГ научно-техническая конференция, КПП, 1292 г.

2. Определение давления при формовании прессованием изделий из мелкозернистого ботопа, ЩТИ, г. Тверь, 1993 г.

3." Прочность цементного камня при изгибо в зависимости от состава цемента. Порпно Академические Чтоння, г. Самара, 1994 г.

4. Исслодованио влияния режимов виброуплотнения полусухой цомептно-водной смеси на свойства цементного камня, г.Вьентьян Лаос "Витханясам-тохнш:". 1994 г., 1- 3.