С.С.КАПРИЕЛОВ, д-р техн. наук, Н.И.КАРПЕНКО, д-р техн. наук, проф., А.В.ШЕЙНФЕЛЬД, канд. техн. наук, Е.Н. КУЗНЕЦОВ, инж. (НИИЖБ), О регулировании модуля упругости и ползучести высокопрочных бетонов с модификатором МБ-50С
Ставя перед собой цель выработать технологические приемы для регулирования модуля упругости и ползучести высокопрочного бетона, мы исходили из того, что эти характеристики могут зависеть как от факторов, предопределяющих деформативность обычного бетона, так и от особых факторов, связанных с природой высокопрочного бетона.
Как известно, модуль упругости и ползучесть бетона как композиционного материала зависят от деформативных характеристик его компонентов, т.е. цементного камня, растворной части и крупного заполнителя и от объемной концентрации каждого из указанных компонентов в составе бетона. На этом, в частности, основаны разные математические модели, позволяющие с большей или меньшей точностью прогнозировать модуль упругости и меру ползучести бетона [1, 2].
Так как высокопрочные бетоны характеризуются повышенным расходом цемента, влияние модуля упругости, ползучести и усадки цементного камня на деформативные характеристики бетона становится более значимым. В то же время ключевым фактором современной технологии высокопрочных бетонов является комплексное использование активных микронаполнителей (микрокремнезем, золы, метакаолин) и суперпластификаторов, которые могут существенно модифицировать структуру цементного камня.
В отечественной практике уже около 7 лет массовое производство высокопрочных бетонов связано с применением модификаторов МБ-01 и МБ-50С, содержащих вышеуказанные компоненты в разных соотношениях. Исследованиями, проведенными ранее, было показано влияние органоминеральных модификаторов серии МБ на пористость и фазовый состав цементного камня и выявлена связь этих характеристик с прочностью и проницаемостью бетона [3, 4, 5]. Отметим, что, варьируя дозировками модификатора, можно изменять прочность в широком диапазоне. Это создает предпосылку и для регулирования модуля упругости и ползучести высокопрочного бетона.
Объектом исследований являлся высокопрочный бетон с органоминеральным модификатором МБ-50С, в составе которого присутствуют микрокремнезем, зола уноса и суперпластификатор, объединенные в единый порошкообразный продукт.
Идея эксперимента заключалась в решении двух задач: во-первых, в сравнении бетонов одного класса по прочности на сжатие, которые имели равные объемы цементного камня, но отличались между собой по его качеству; во-вторых, в сравнении бетонов одного класса по прочности, но имеющих разные объемы цементного камня одинакового качества. Сравнение проводили по таким параметрам, как фазовый состав (баланс между кристаллогидратами) и пористость цементного камня, а также модуль упругости и мера ползучести бетона.
Для решения первой задачи сравнивали образцы высокопрочного мелкозернистого бетона, которые содержали примерно одинаковое количество вяжущего (цемент + модификатор), имели одинаковое водовяжущее отношение, равное 0,23, и, соответственно, одинаковый объем цементного камня, равный 0,4 м3/м3. Указанные образцы готовили с разными дозировками модификатора: 0% (контрольный образец), 10,20 и 50% от массы цемента, что позволяло варьировать составом цементного камня и его поровой структурой. Контрольный бетон приготовлен из смеси с ОК=5 см, бетоны с модификатором - из смесей с ОК=21-23 см.
Опубликованные ранее результаты исследований [7] показали, что изменение деформативных свойств высокопрочного мелкозернистого бетона под влиянием органоминерального модификатора МБ-50С связано с изменением качественных характеристик цементного камня, т.е. объема гелевой и кристаллической частей и их модулей упругости (рис.1 и 2). Изменение качества цементного камня (состава кристаллогидратов) оказывает более значительное влияние на меру ползучести, чем на прочность и модуль упругости бетона (рис.З). Мера ползучести при оптимальных дозировках модификатора может быть уменьшена на 45-60% (кривая 3, рис.З), в то время как модуль упругости и прочность на сжатие могут быть увеличены всего лишь на 20% (кривые 1 и 2, рис.З). Анализируя полученные результаты, можно заметить, что оптимальные сочетания значений прочности, модуля упругости и ползучести достигаются при дозировках МБ-50С в диапазоне 10-20% массы цемента.
Для решения второй задачи сравнивали четыре образца, которые содержали разное количество вяжущего (от 670 до 1629 кг/м3) и разный объем цементного камня (от 0,36 до 0,90 м3/м3), но имели одинаковое водовяжущее отношение, равное 0,23, и одинаковую дозировку модификатора, равную 20% массы цемента. В этой группе сравнивали образец цементного камня без заполнителей, два образца мелкозернистого бетона с воздухововлекающей добавкой и без нее и образец бетона с крупным заполнителем. Присутствующие в составе образцов заполнители и воздухововлекающий компонент позволили варьировать объемом цементного камня и пористостью бетонов. Составы и свойства бетонных смесей приведены в табл. 1.
Для приготовления бетонов использовали следующие материалы: портландцемент М500 ДО (минералогический состав: C3S=59%, C2S=16%, С3А=6%, C4AF=13%, CaS042H20=4%), соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515; модификатор бетона МБ-50С, содержащий микрокремнезем, золу-унос, суперпластификатор в соотношении 43:43:14 и, согласно ТУ 5743- 083-46854090-98 с изменениями №1, маркированный как МБ 14-50С; песок кварцевый (Мкр= 2,5), соответствующий ГОСТ 8736; щебень гранитный (фракция 5- 20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633; воздухововлекающая добавка (ВВД) - смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), соответствующая ТУ 13-0281078-75-90.
Модуль упругости, меру ползучести и усадку определяли согласно ГОСТ 24452 и ГОСТ 24544 на образцах размером 10x10x40 см. Усадку определяли на образцах, которые хранились на воздухе в нормальных условиях (t=20±2°C, W=98%). Ползучесть определяли при уровне нагружения 0,3 Rbn и 0,6 Rbn на “запечатанных" образцах с изолированной поверхностью, для которых к моменту испытаний в течение 28 сут обеспечивали твердение при нормальных условиях. Прочность на сжатие и растяжение при изгибе определяли на образцах размером 10x10x10 см и 10x10x40 см, соответственно, которые хранились в нормальных температурно-влажностных условиях.
Информация о расчетных показателях (объем, масса, плотность) компонентов мелкозернистого бетона и цементного камня, включая его гелевую и кристаллическую части, определенных в соответствии с принятой структурной моделью высокопрочного бетона с модификатором МБ-50С и методикой расчета, приведенной в [7], представлена в табл.2. Из нее можно заметить, что объем цементного камня в составе высокопрочного бетона в зависимости от вида и количества заполнителей изменяется в широком диапазоне от 0,364 до 0,903 м3/м3.
Замена части цементного камня мелким и крупным заполнителями при постоянном водовяжущем отношении приводит к снижению подвижности и повышению объемной массы бетонных смесей (составы №№ 1,2,4, табл.1). Введение в бетонную смесь ВВД приводит к дополнительному вовлечению воздуха (составы № 2 и № 3, табл.1).
Все образцы цементных систем (цементного камня, мелкозернистого бетона, мелкозернистого бетона с ВВД, а также тяжелого бетона) обладали примерно равной прочностью на сжатие (100,4-116,9 МПа) и по этому показателю могут быть отнесены к одному классу В80 (составы №№ 1-4, табл.З).
Модуль упругости и мера ползучести мелкозернистого и тяжелого бетонов (составы № 2 и № 4, табл.З) сопоставимы и изменяются в узком диапазоне, соответственно 42,3103 - 47,О 103 МПа и 16,2-10-6 - 18,4-106 МПа, однако усадка мелкозернистого бетона (74,5-105) в два раза выше усадки тяжелого бетона (36,0-105).
Введение в состав мелкозернистого бетона воздухововлекающего агента (состав № 3, табл.З) не изменяет величину усадочных деформаций (77,0-10-5), однако уменьшает модуль упругости на 12% (37,5-103 МПа) и увеличивает меру ползучести на 26% (23,25-10"6 МПа1).
Деформативные характеристики цементного камня (состав № 1, табл.З) значительно отличаются от характеристик мелкозернистого и тяжелого бетонов - усадка (102,1 10-5), модуль упругости (25,3 103 МПа), мера ползучести (38,5-106 МПа1).
Изменение уровня нагружения от 0,3Rbn до 0,6Rbn приводит к увеличению меры ползучести цементных систем на величину от 15% (для образца №3 с ВВД) до 36% (для образцов №1,2,4 без ВВД). Можно предположить, что меньший прирост ползучести бетона с ВВД по мере увеличения уровня нагружения связан с особенностями структуры, в которой имеются условно-замкнутые поры, выполняющие функции демпфера и равномерно распределяющие внутренние напряжения в материале, снижая тем самым величину деформаций.
На основании выявленных на первом этапе [7] качественных характеристиках цементного камня с 20% модификатора, включая пористость, состав кристаллогидратов и степень гидратации цемента, оценим достоверность полученных на втором этапе данных путем сравнения фактических и расчетных значений меры ползучести исследуемых цементных систем.
Предельная мера ползучести бетона с учетом объемов цементного камня и, соответственно, заполнителей, а также пористости бетона, согласно [6], может быть определена следующим уравнением
Выводы
1. Изменение модуля упругости и меры ползучести высокопрочного бетона с комплексным органоминеральным модификатором МБ-50С зависит как от изменения качественной характеристики цементного камня, те. баланса между объемами и модулями упругости его гелевой (субмикрокристаллы геля) и кристаллической частей, так и от количественной характеристики цементной системы, т.е. соотношения объемов цементного камня, заполнителя и пор.
Качественные характеристики могут регулироваться дозировками модификатора, а количественные - применением разных заполнителей для бетона и воздухововлекающей добавки.
2. Оптимальными, с точки зрения прочностных и деформативных характеристик бетонов, является дозировка модификатора в диапазоне 10-20% массы цемента, так как в этом случае минимизируется количество Са(ОН)2 в составе цементного камня, в котором образуется примерное равенство модулей упругости гелевой и кристаллической частей.
3. Модуль упругости и мера ползучести высокопрочных мелкозернистых бетонов при одинаковой прочности на сжатие могут регулироваться в широком диапазоне за счет варьирования дозировками модификатора и введения в состав бетона воздухововлекающей добавки. Величина изменения модуля упругости может достигать 20%, а меры ползучести 45-60%.
4. Варьирование дозировками модификатора позволяет управлять деформативными характеристиками и получать высокопрочный мелкозернистый бетон, обладающий такими же величинами модуля упругости и меры ползучести, как тяжелый бетон на гранитном щебне, с аналогичной прочностью на сжатие.
5. Управление мерой ползучести высокопрочного бетона может быть осуществлено в равной степени как варьированием дозировками модификатора, так и варьированием соотношения между объемами цементного камня, заполнителей и вовлеченного воздуха.
6. Предложена структурная модель и методика расчета меры ползучести высокопрочных бетонов с органоминеральным модификатором, которые дают достоверные результаты.
Бетон и железобетон, 2003 №6