Г.Н.ХАХУТАШВИЛИ, канд. техн. наук, доц. (Грузинский технический ун-т), Особенности структуры и свойств легких бетонов для монолитного и индустриального домостроения
Об эффективности применения легких бетонов в монолитном и индустриальном строительстве хорошо известно. Их физико-механические свойства и структурные особенности дают основания считать легкий бетон одним из перспективных строительных материалов. Однако при проведении научных исследований выявляются такие своеобразности, учет которых безусловно позволит улучшить технологию производства и экономические показатели легких бетонов в целом.
Исследования в разное время проводились в НИИЖБе, в Мюнхенском и Эссенском университетах, в ГТУ. В качестве основного легкого пористого заполнителя применялся вулканический шлак, большие природные запасы которого находятся на Дальнем Востоке, в Китае, в Закавказье, в Центральной Европе, в Южной Америке. Сходство строения и химико-минералогического состава вулканического шлака дает основания распространить результаты исследований легких бетонов на этом заполнителе и на указанные регионы,
Для бетона на вулканическом шлаке R28‘20 МПа с объемной массой 1740 кг/м3 использовали песок, полученный дроблением крупного заполнителя с расходом материалов на 1 м3: щебень — 514 кг, песок — 812 кг, вода — 320 л при В/Ц = 0,75 и O.K. = 4-6 см. Для керамзитобетона такой же прочности на кварцевом песке с объемной массой 1760 кг/м3 расход воды составлял 250 л при В/Ц = 0,55.
Определяли послойное нарастание прочности в легкобетонных конструкциях после одностороннего и двухстороннего электрообогрева по режиму 1+3+6+3 ч. Во время электротермообработки изучали температурные поля в прогреваемых конструкциях [2]. Для моделирования реальных условий исследования проводились на фрагменте легкобетонной конструкции — плите размерами 100x60x15 и 100x60x40 см. Эти фрагменты после электрообогрева в возрасте 1, 7, 28 и 90 сут распиливались послойно на кубики 10x10x10 см и испытывались на прочность при сжатии. Распиловку плит производили вдень испытания образцов на прочность, что позволило максимально приблизить условия твердения бетона в образцах-моделях к условиям твердения в натурных элементах и протеканию физических процессов в материале(перераспределение влаги, возможные структурные нарушения, возникающие из-за разности прочностей слоев и др.). При выпиливании образцов водоохлаждение не использовали во избежание изменения водосодержания бетона [4].
Анализ экспериментальных данных (см. рисунок) по определению характера нарастания прочности бетона послойно в плите толщиной 15 см при одностороннем обогреве показывает, что после тепловой обработки по оптимальному режиму в суточном возрасте в зоне контакта с греющей опалубкой прочность легкого бетона составляет 12,4 МПа, или 62% от R28, а необогреваемого слоя — соответственно 8 МПа, т.е. с отставанием по прочности, по сравнению с бетоном в контактном слое, на 4,4 МПа. В возрасте 7 сут в зоне с греющей опалубкой прочность легкого бетона достигает 14 МПа, или 70% от R2B, а прочность “холодного слоя — 10,5 МПа, т.е. разрыв сократился до 3,5 МПа.
В возрасте 28 сут прочность бетона в обоих слоях продолжает расти. Разность постепенно сокращается, и в этом возрасте слои легкого бетона, близлежащие к палубе при обогреве в греющей опалубке, имеют прочность 19 МПа, или 95% от R28, а “холодного” слоя — 18 МПа. При дальнейшем хранении образцов (до 90 сут) прочности слоев легкого бетона полностью выравниваются, и общая прочность превышает марочную на 1-1,5 МПа
Если проследить за кинетикой изменения прочностей слоев легкого бетона, подвергнутого одностороннему электрообогреву, можно заметить, что в начальный период из-за влияния температурного фактора разность в прочности значительная. Однако при дальнейшем твердении эта разница постепенно сокращается и в итоге выравнивается Вместе с тем видно, что хотя прочность слоев бетона, близлежащих к греющей опалубке, при электрообогреве почти до 90 сут превышает прочность необогретых слоев, ее нарастание у последних протекает интенсивнее.
Аналогичные явления наблюдаются при двухстороннем электрообогреве легкобетонных образцов толщиной 40 см. Результаты исследований показывают [2], что температурные перепады в этом случае также значительные и держатся долгое время. В суточном возрасте после двухстороннего электрообогрева легкого бетона толщиной 40 см прочность в прилегающих к греющим поверхностям опалубки слоях составляет 14,5 МПа, или 72,5% от R28, а в центральных слоях бетона, имеющих в среднем температуру в течение всего периода обогрева ниже температуры теплых зон на 15— 18°С, достигала 10,8 МПа. Отставание прочности на этом этапе составляло 3,7 МПа. В 7-суточном возрасте после тепловой обработки в зонах с греющими опалубками прочность легкого бетона возрастает до 17 МПа, т.е. 85% от R28, разница же с центральными слоями сокращается до 2 МПа.
В отличие от образцов, подвергнутых одностороннему обогреву, разность в прочности бетонов центральных и приконтактных слоев в 28-суточном возрасте после двухстороннего электрообогрева меньше и составляет 0,5 МПа. После длительного выдерживания (90 сут) прогретой с двух сторон плиты в условиях положительных температур (в среднем 18°С) разница в прочности между слоями сокращается до минимальной величины и составляет 22,4 МПа.
Сопоставляя данные исследований изменения послойной прочности при одностороннем и двухстороннем электрообогреве (см. рисунок), можно заметить, что по характеру эти процессы протекают одинаково, однако по этапам испытаний в легких бетонах большей массивности при двухстороннем обогреве прочности несколько выше, чем у образцов, прошедших односторонний обогрев.
Необходимо отметить, что отдельно изготовленные образцы- кубы, твердевшие в нормальных условиях, после 28 сут довольно интенсивно набирают прочность и опережают (24 МПа) прочность образцов (22,4 МПа), выпиленных из прогретых плит [2].
Перед рассмотрением структурных особенностей легких бетонов на пористом вулканическом шлаке и попыткой объяснить влияние протекающих физических и влагообменных процессов при твердении необходимо привести некоторые результаты испытаний образцов-балочек размером 15x15x60 см на прочность на растяжение при изгибе Rp й [2, 4]. После электрообогрева в возрасте 3 сут она составила 1,66 МПа, а после электродного прогрева в этом же возрасте — 1,98 МПа. При выдерживании в условиях нормального хранения и испытании в возрасте 28 сут у образцов, прошедших электрообогрев, Нри =2,18 МПа, после электродного прогрева Rp и = 2,23 МПа, а у образцов без тепловой обработки Rp и = 2,07 МПа.
В легких бетонах пористый заполнитель, являясь гидрофизически адсорбционно и химически активным, формирует около своей поверхности плотный контактный спой, срастаясь с адсорбционно и химически активной цементной матрицей. Контактный слой не только способствует уплотнению системы, но и вследствие вакуумирования резко повышает ее прочность и стойкость [3].
Изучение контактного слоя пористого заполнителя с цементным камнем проводили по двум направлениям:
1. Взаимодействие гидратных новообразований цементного камня с вулканическим шлаком,
2. Влияние пористой структуры заполнителя на цементный камень и на характер контактной зоны.
Исследования проводились на растровом и электронном микроскопах, а также с использованием механических методов в НИИЖБе и Эссенском университете Германии [1]-
Для микроструктуры цементного камня из смеси портладцемента с вулканическим шлаком характерна большая степень кристаллизации гидратных новообразований. Структурные характеристики их и цементного камня в 28-суточном возрасте приведены в табл. 1. Если размеры кристаллических образований гидрата окиси кальция и кальцита в цементном камне на чистом портландцементе не превышают 3-10 мк, то в затвердевшей системе це- мент+вулканический шлак их размеры достигают 60 мк. Как правило, крупные кристаллы гидрата окиси кальция образуются вокруг зерен вулканического стекла, которые, видимо, в процессе кристаллизации гидратных новообразований являются затравками для возникновения кристаллов.
Степень гидратации цементного камня с вулканическим шлаком несколько выше, чем без него (см.табл. 1). При этом наблюдается некоторое уменьшение размеров клинкерных зерен. В образцах с вулканическим шлаком они колеблются от 20 мк до 240 мк, с преобладанием зерен размером 64 мк, а на чистом портландцементе они соответственно составляют 24-320 мк и 80 мк.
Повышение степени гидратации и уменьшение размеров оставшихся клинкерных зерен говорит об интенсивности процесса гидратации в системах цемент + вулканический шлак + вода. Это можно объяснить тем, что активные составляющие вулканического шлака [1], связываясь с гидратными новообразованиями и в первую очередь с гидратом окиси кальция, понижают их концентрацию в жидкой фазе и тем самым ускоряют процесс гидратации клинкерных минералов.
Воздействие электрообогрева на этот процесс при последующем длительном (28 сут) твердении в нормальных условиях несколько нивелируется. В целом для образцов, подвергаемых электрообогреву, отмечается более высокая степень гидратации и однородность структуры, характеризующаяся более равномерным распределением клинкерных зерен и продуктов гидратации в массе образца [1].
Вторым основным вопросом является влияние пористой структуры заполнителя на цементный камень и на характер контактной зоны. Как известно, пористый заполнитель оттягивает часть влаги из прилегающих слоев цементного камня, что способствует их уплотнению. В свою очередь, контактные слои вулканического шлака также претерпевают изменения. Для оценки микро- механических свойств контактных слоев цементного камня и заполнителя был использован метод оценки микротвердости. Испытания проводились на полированных шлифах образцов-кубиков размером 30x30x30 мм из цементного теста, в середину которых помещали зерна вулканического шлака.
Так как основные изменения структуры контактных слоев цементного камня связаны с миграцией влаги в заполнителе, а следовательно с изменением В/Ц, то вначале была установлена зависимость изменения микротвердости цементного камня на исходном портландцементе с разным В/Ц в 3-х и 28-суточном возрасте. Изменение прочности при сжатии и микротвердости цементного камня в зависимости от В/Ц показано в табл. 2. Совместно с измерениями микротвердости были проведены испытания прочности на сжатие этих образцов.
Анализируя данные табл. 2, можно видеть аналогию в характере изменения прочности на сжатие и микротвердости: с увеличением В/Ц прочность и микротвердость понижаются, В дальнейшем, при изменении микротвердости контактных слоев цементного камня, используя данные этой таблицы,можно судить об изменении в них В/Ц за счет миграции влаги в пористый заполнитель. Так, микротвердость цементного камня в 3-суточном возрасте нормального твердения вдали от контакта составляет 207 МПа. В контактных слоях на расстоянии не более 50 мк от контакта происходит повышение микротвердости до 286 МПа, что вызвано снижением в них В/Ц. Согласно данным табл. 2, а также учитывая, что исходные В/Ц в образцах были 0,3, можно считать, что в контактных слоях оно понизилось более чем на 0,1 и составляет 0,18.
В более поздние сроки твердения (28 сут) также происходит повышение микротвердости в контактных слоях, но в значительно меньшей степени. Если микротвердость цементного камня в объеме составляет 276 МПа, то в контактных слоях она повышается до 325 МПа, что соответствует понижению В/Ц с 0,3 до 0,22-0,23.
Применение электрообогрева в процессе твердения приводит в целом к повышению микротвердости цементного камня. Так, в образцах 3-суточного возраста микротвердость цементного камня вдали от контакта достигает 253 МПа, а в контактных слоях повышается до 295 МПа. При увеличении после электрообогрева сроков твердения в нормальных условиях до 28 сут влияние тепловой обработки несколько нивелируется, и микротвердость цементного камня практически не отличается от аналогичных образцов без тепловой обработки
На основании приведенных нами результатов исследований [1, 2, 4] можно с уверенностью утверждать, что легкий бетон благодаря своим структурным особенностям и свойствам в ближайшей перспективе безусловно будет иметь широкое применение в различных конструкциях монолитного и индустриального домостроения.
Бетон и железобетон, 2004 №1