автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Стойкость и деформации высокопрочного бетона при циклических температурных воздействиях

Южно-Уральский государственный университет

Зинов Игорь Алексеевич

Стойкость и деформации высокопрочного бетона при циклических температурных воздействиях

Специальность 05.23.05 - "Строительные материалы

и изделия"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель:

доктор

технических наук, профессор

Трофимов Б.Я.

Оглавление

Введение................................................................................ 4

1. Состояние вопроса................................................................ 9

1.1. Основные гипотезы разрушения бетона при циклическом замораживании............................................................... 9

1.2. Влияние характеристик пористости

на морозостойкость бетона................................................19

1.3. Деформации бетона при циклическом замораживании

и оттаивании..................................................................26

1.4. Влияние растворов солей на поведение бетонов

при замораживании.........................................................28

1.5. Выводы по главе............................................................36

1.6. Цель и задачи исследования...............................................37

2. Методы исследований и материалы..........................................39

2.1.Методы исследований.......................................................39

2.1.1. Рентгенофазовый анализ............................................40

2.1.2. Электронная микроскопия ..............................40

2.1.3. Дифференциально-термический шализл V;

цементного камня .................. .. V*.................................40

2.1.4. Оценка количества гидросиликатов

кальция типа С-Б-Н (I) ..............................................42

2.1.5. Определение величины удельной поверхности цементного камня ...................................................43

2.1.6. Определение характеристик пористости

цементного камня адсорбцией паров воды ..................44

2.1.7. Дилатометрические исследования бетона.......................45

2.2. Характеристика исходных материалов................................47

3. Поведение сдленасыщенного бетона

в процессе циклического замораживания................................................52

3.1. Влияние условий замораживания

на распределение температуры в бетоне ............................52

3.2. Деформации мелкозернистотго бетона

при различных условиях замораживания.............................60

3.2.1 .Деформации бетона

при различных условиях насыщения....................................60

3.2.2.Температурные деформации бетона, замораживаемого в воде..........................................................62

3.2.3. Исследование деформирования бетона при замораживании в водных растворах

хлорида натрия.................................................................63

Выводы по главе.................................................................. 79

4. Влияние микрокремнезема на структурные

и механические характеристики мелкозернистого бетона при низких водоцементных отношениях.........................................80

4.1. Обоснование выбора параметров эксперимента

и пределов их варьирования...............................................80

4.2. Влияние микрокремнезема на подвижность бетонной смеси ... 85

4.3. Исследование влияния минеральной и пластифицирующей добавок на формирование структуры бетона..........................87

4.4. Морозостойкость мелкозернистого

бетона с добавкой микрокремнезема.....................................100

4.4.1. Влияние микрокремнезема на изменение прочности бетона в процессе

циклического замораживания и оттаивания...................................101

4.4.2. Изменение структурных характеристик

при циклическом замораживании...........................................109

Выводы по главе.................................................................................122

5. Влияние микрокремнезема на структурные

и механические характеристики тяжелого бетона

при низких водовяжущих отношениях.........................................125

5.1. Анализ влияния суперпластификатора на подвижность бетонной смеси

с активной минеральной добавкой.............................................131

5.2. Оценка воздействия микрокремнезема на параметры структуры

и прочность тяжелого бетона.............................................136

5.3. Изменение морозостойкости бетона при замораживании и оттаивании

в растворе хлорида натрия.....................................................148

Выводы по главе......................................................................164

Общие выводы............................. ...........................................166

Список использованных источников.............................................169

Приложения............................................................................184

Расчет экономической эффективности применения комплексной добавки.....

Введение

Одним из древнейших и универсальных строительных материалов является бетон. Широкое его применение начато со второй половины XIX века. Однако, вопросы, связанные с изучением его свойств и возможностей не потеряли своей актуальности. Особое внимание ученые и инженеры уделяют долговечности бетона. Известно много фактов, когда бетонные сооружения построенные еще в прошлом веке и по настоящее время находятся в прекрасном состоянии (железобетонный морской маяк в Копенгегене, крепостные сооружения в районе Каунаса, тротуарные плиты в Клайпеде и т.д.). И в то же время, конструкции построенные несколько лет тому назад уже требуют ремонта или полной замены (плиты покрытия площади перед Олимпийским комплексом в Москве были заменены через 4...5 лет, фундаменты зданий в Якутске начинают разрушаться через 10... 12 лет).

В связи с расширением использования цементных бетонов в различных видах конструкций, изменением свойств цементов, производимых на существующих цементных заводах, несоответствующего уровня качества производства работ, как в заводских условиях, так и на строительных площадках, в настоящее время существует гораздо больше проблем в получении бетонов с требуемой и прогнозируемой долговечностью. Из всех вопросов, связанных с долговечностью для России, большая часть территории которой расположена в суровых климатических условиях, особое внимание уделяется изучению и обеспечению морозостойкости бетона, эксплуатируемого как на воздухе, так и в контакте с различными агрессивными жидкостями.

Морозостойкость бетона определяется многими факторами: минералогическим составом и тонкостью помола цемента, условиями формования и твердения бетона, качеством заполнителей, свойствами и видом используемых добавок, структурой затвердевшего конгломерата и т.д.

Изучению морозостойкости бетонов посвящены работы многих известных ученых. К их числу относят таких исследователей, как Адамчик К.А., Алексеев С.Н., Алимов Л.А., Андреев В.В., Ахвердов И.Н., Бабушкин В.И., Баженов Ю.М., Батраков В.Г., Бугрим С.Ф., Бутт Ю.М., Важенин Б.В., Вознесенский В.А., Волженский A.B., Голубых Н.Д., Горчаков Г.И., Грушко И.М., Иванов Ф.М., Капкин М.М., Комохов П.Г., Кунцевич О.В., Лифанов И.И., Миронов С.А., Москвин В.М., Подвальный A.M., Ратинов В.Б., Розенталь О.М., Сатарин В.И., Сычев М.М., Судаков В.Б., Шейкин А.Е. и многих других.

Основной целью предлагаемой диссертационной работы является -уточнение механизма разрушения и разработка способов получения бетонов высокой прочности и стойкости без дополнительного воздухововлечения при циклическом замораживании в минерализованных жидких средах.

Автор защищает:

- экспериментальные данные о влиянии условий замораживания на распределение температуры в мелкозернистом бетоне;

- результаты исследования деформаций бетона в процессе термоциклирования в различных средах;

- причину ускоренного разрушения бетона, замораживаемого в водных растворах хлорида натрия;

- данные о влиянии добавок суперпластификатора и микрокремнезема на структуру и свойства мелкозернистого бетона при водовяжущих отношениях 0.25...0.3 и их изменение в процессе циклического замораживания и оттаивания;

- способ получения бетонов с требуемой высокой морозостойкостью без дополнительной вторичной защиты.

Научная новизна работы:

1. Выявлены причины и закономерности ускоренного разрушения бетона при циклическом замораживании в водных растворах хлорида натрия по сравнению с замораживанием и оттаиванием в воде;

2. Разработан новый подход к получению удобоукладываемых бетонных смесей с низкими водовяжущими отношениями;

3. Установлено модифицирующее влияние микрокремнезема на структуру гидратных фаз цементного камня и свойства тяжелого и мелкозернистого бетона при низких водовяжущих отношениях (В/В=0.2...0.34);

4. Выявлено влияние высокооактивной минеральной добавки и суперпластификатора С-3 на стойкость бетона при совместном воздействии водного раствора хлорида натрия и знакопеременных температур.

Практическое значение и реализация работы. На основании проведенных исследований:

- предложен способ получения высокоподвижных бетонных смесей с низкими водоцементными отношениями;

- впервые экспериментально доказана возможность получения бетонов с морозостойкостью F 600 для дорожных и аэродромных покрытий без дополнительного воздухововлечения и вторичной защиты, благодаря повышенному содержанию низкоосновных гидросиликатов кальция в структуре цементного камня;

- доказана возможность получения бетонов с маркой по прочности до двух раз превышающей марку цемента за счет введения комплексной добавки: микрокремнезем+суперпл астификатор;

- показана возможность установления причин коррозионной деструкции бетона дилатометрическими методами;

- полученные результаты исследований могут быть использованы в при проектировании технологии изготовления железобетонных конструкций повышенной долговечности без вторичной защиты для дорожных и аэродромных покрытий, конструкций и сооружений, возводимых в районах Крайнего Севера и на шельфе северных морей;

- основные результаты работы внедрены при изготовлении деталей трубопроводов на оборудовании и по технологии фирмы "TAUBER".

разработка способов получения бетонов высокой морозостойкости без дополнительного воздухововлечения и уточнение механизма морозного разрушения бетонов, замораживаемых в минерализованных жидких средах.

Результаты исследований отражены:

- отчете по научно-исследовательской работе по теме № 7.1-11-251/93 "Разработка методов проектирования конструкций повышенной стойкости, эксплуатируемых в условиях совместного воздействия циклического замораживания в растворах водных солей " (М., Стройиндустрия.-1993г.);

- в двух научно-технических отчетах Челябинского Государственного Технического Университета за 1995г. (№> гос. регистрации 02940001173 и 02950000735

- совместно с НИИЖБ ГОССТРОЯ СССР разработаны и выпущены "Рекомендации по производству эффективных сборных железобетонных изделий и конструкций на основе бетонов с добавкой конденсированного микрокременезема".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены:

- на 43-50 научно-технических конференциях Челябинского Государственного технического университета;

- на республиканском семинаре "Пути экономии цемента при производстве железобетона" (Челябинск, 1989г.);

- на научно-техническом семинаре "Экономия топливно-энергетических ресурсов в промышленности сборного железобетона" (Челябинск, 1989г.);

- на семинаре "Совершенствование технологии вяжущих, бетонов и железобетонных конструкций" (Пермь, 1989г.);

- на региональной научно-технической конференции "долговечность бетонных и железобетонных конструкций в климатических условиях Сибири и крайнего Севера" (Новосибирск, 1990г.);

- межгосударственной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона" (Магнитогорск, 1994г.);

- на международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (Белгород, 1995г.);

- на вторых академических чтениях "Современные проблемы строительного материаловедения" (Казань, 1996г.);

- на 2-х Уральских академических чтениях "Реконструкция городов, отдельных зданий, сооружений и конструкций на Урале" (Екатеринбург, 1997г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 статьях, трех научно-технических отчетах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 138 наименований, приложений на 12 страницах, содержит 196 страниц машинописного текста, 18 таблиц и 61 рисунок.

Диссертант выражает глубокую благодарность консультанту к.т.н. Горбунову С.П. за постоянное внимание и оказанную помощь в период выполнения всех работ над диссертацией.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Основные гипотезы разрушения бетона при циклическом замораживании

Открытие и освоение громадных нефтяных и газовых месторождений в северной части Атлантического океана и Арктике в последнее время возродило большой интерес науки и технологии в разработке строительных материалов и конструкций на их основе, эксплуатируемых в суровых климатических условиях. Возведение морских гидротехнических бетонных и железобетонных конструкций, работающих в зоне перемещения уровня воды в климатических условиях шельфового и прибрежного строительства требует создания бетонов высокой стойкости.

Использование бетона в строительстве дорог и аэродромов требует разработки композиций с высокой скоростью твердения и высокой прочностью на ранних стадиях твердения.

По данным специалистов США, которые исследовали преимущества бетона перед асфальтом, бетонное покрытие имеет большую долговечность, низкие затраты при строительстве и эксплуатации и высокую технологичность при укладке. Средний срок эксплуатации бетонного покрытия до замены или ремонта составил 31.5 года, асфальтового покрытия 17.4 года. Особенно жесткие условия эксплуатации бетонного полотна в зимнее время, в присутствии солей антиобледенителей, обуславливают необходимость разработки бетонов с высокими показателями морозосолестойкости.

Характер разрушения бетонных сооружений зависит от условий их эксплуатации. Конструкции полностью погруженные в минерализованную воду разрушаются под влиянием химической или физико-химической коррозии, в то время как, их надводная часть дополнительно подвергается действию

циклического замораживания и оттаивания. Наиболее уязвим бетон, находящийся в переменного уровня минерализованной воды, который испытывает увлажнение и высушивание, подвергается циклическому замораживанию-оттаиванию, химическому воздействию водной среды, влияющей на стойкость цементного камня и сохранность стальной арматуры в бетоне.

Работы, посвященные изучению долговечности бетона были, в основном, направлены на рассмотрение вопросов, связанных с химическим воздействием морской воды на цементный камень и стальную арматуру. В то же время, незначительная часть работ посвящена морозостойкости бетонов в морской воде, причинам ускоренного разрушения при одновременном воздействии знакопеременных температур и растворов солей

антиобледенителей.

Физический феномен морозного разрушения нельзя описать простым наложением изменения характеристик отдельных составляющих и переходов, возникающих при совместном агрессивном воздействии окружающей среды.

Анализ интенсивности разрушения бетона при циклическом знакопеременном изменении температур, проведенный Москвиным В.М., показал, что в зависимости от свойств бетона и параметров его влажностного состояния основные причины разрушения определяются воздействием одного из следующих факторов или их комбинаций:

-различием коэффициентов термического расширения составных частей бетона (заполнителей и цементно-песчаного раствора), а также

скелета бетона и льда (играет отрицательную роль при повышении температуры замороженного бетона);

-гидростатическим давлением воды при быстром образовании льда в замкнутых полостях бетона;

- гидравлическим давлением воды в бетоне перемещающимся фронтом льдообразования;

- кристаллизационным давлением льда при сегрегации его за время длительного стационарного стояния фронта промерзания.

Первоначально существовали две основные гипотезы механизма разрушения бетона при его попеременном замораживании оттаивании. Первая -Collinz A.R. - связана с увеличением объема льда на 9.3 %, при замерзании воды в материалах, сопровождающееся возникновением напряжений порядка 100 МПа [ 114 ].

Начальный вариант теории гидравлического давления был разработан Powers Т.С. в 1945 г. [131]. В нем говорится, что вода в капиллярах на поверхности бетона замерзает первой и излишек воды, созданный образованием льда движется во внутреннюю часть. Гидравлическое давление дает начало разрушешпо. В этом варианте Powers Т.С. не рассматривал роль эффекта размера пор. В 1965 г. он отмечает, что вода имеет различные температуры замерзания в зависимости от размера пор, и наблюдаются расширение и усадка, когда температура окружающей среды поддерживается постоянной [132].

Зависимость между температурой замерзания и радиусом капилляра определяется известным уравнением Кельвина и снижение температуры замерзания определяется главным образом давлением паров воды (энергией свободной поверхности):

р s 2а Vm

In------=-------cos ф (1)

р R Т r

где:

р s - давление пара над мениском жидкости в капилляре;

р - давление пара над плоской п�