|
|
Прочность сцепления цементного камня с заполнителями в бетоне и факторы, влияющие на неe (обзор). Часть 2 (ч. 1 – в Технологии бетонов 11-12 2009, с. 52-54) (Технологии бетонов 1-2 2010)И.Ш. Каримов, канд. техн. наук, Башкирский государственный аграрный университет, г. Уфа Представленный обзор освещает современные представления о факторах влияния на прочность связи между цементным камнем и заполнителями в бетоне и способах ее увеличения, которые описаны в работах российских и зарубежных авторов и применяются на практике. Существует мнение [9], что с уменьшением толщины прослоек цементного камня между заполнителями и приближением еe к удвоенной толщине контактных слоев степень гидратации цемента и дисперсность структуры возрастают, что ускоряет кристаллизацию новообразований на поверхности его зерен и повышает прочность контактных слоев цементного камня и заполнителя. Однако Хархардин А.Н. [13] связывает толщину прослоек цементного камня с силами обжатия зерен заполнителя. При достаточно большой толщине прослойки создается реверс еe собственных деформаций, т.е. смена сил обжатия зерен заполнителя на локальный отрыв вплоть до еe отслоения от их поверхности в результате развития собственных реверсивных деформаций цементного камня. Степень локального отслоения (отрыва) цементного камня от поверхности зерен заполнителя снижается с уменьшением толщины прослойки на них в связи с ростом силы их обжатия. Но незначительная еe величина приводит к образованию очагов трещинообразования и к снижению прочности сцепления «фаз» в контактной поверхности в результате развития тангенциальной составляющей деформаций цементных оболочек на зернах заполнителя. При оптимальных толщинах прослойки достигаются максимальные значения сил обжатия зерен заполнителя в результате развития радиальной составляющей деформаций цементных прослоек. Сергеевым С.М. с соавторами [12] было проведено моделирование напряженного состояния растворной части вокруг гранул крупного заполнителя бетона при действии на него внешней сжимающей нагрузки. Отмечается, что разрушение начинается с отслоения растворной части от боковой поверхности гранул самой крупной фракции заполнителя вследствие концентрации растягивающих напряжений, превосходящих прочность адгезионного сцепления растворной части и заполнителя. Подбирая объемную концентрацию крупного заполнителя так, чтобы величина оболочки растворной части вокруг гранул находилась в пределах 1/18–1/22 их среднего диаметра, можно отдалить момент расслоения составляющих бетона и тем самым повысить уровень допустимых эксплуатационных напряжений за счет изменения характера образования первых микроразрушений. Понижение прочности контактных слоев цементного камня при всех прочих равных условиях наблюдается также на границе с пористыми породами (например, выветрелые гранит и порфир). В случае пористого заполнителя происходит двухстороннее движение жидкой фазы через зону контакта на протяжении всего периода твердения вяжущего и при изменении влажности окружающей среды. Пористый заполнитель сразу же после затворения поглощает жидкую фазу из цементного теста, а в дальнейшем в процессе твердения постепенно медленно отдает еe даже при хранении в атмосфере насыщенного пара за счет возникающих в результате химического связывания воды градиентов влажности и концентраций по обе стороны контактной зоны. Обратное движение жидкой фазы из заполнителя в цементный камень тем интенсивнее, чем ниже влажность окружающего воздуха. Последующее увлажнение бетона вновь вызывает движение жидкости в зерно заполнителя. Наличие постоянного направленного потока жидкости через зону контакта также может усиливать процессы растворения и перекристаллизации в этом месте, что понижает прочность структуры, полагают Любимова Т.Ю. и Пинус Э.Р. [10]. Определение прочности сцепления заполнителя с цементным камнем является довольно сложным; кроме того, не существует единой установленной методики испытаний. Обычно если сцепление заполнителя с цементным камнем является хорошим, то в испытанных до разрушения бетонных образцах наряду с разрушением по контакту заполнителя и раствора имеются разрушения по зернам заполнителя. Однако чрезмерное количество разрушенных зерен указывает на слишком низкую прочность заполнителя. Следует отметить, что у высокопрочных бетонов прочность сцепления заполнителя с цементным камнем меньше прочности цементного камня при растяжении, поэтому при растяжении разрушение высокопрочных бетонов происходит преимущественно в результате нарушения сцепления между заполнителем и цементным камнем. Gilibert Y. и Collot C. [23] исследовали характер разрушения под действием сжатия бетонов с заполнителями из дробленого твердого известняка, дробленого аморфного кремнезема и из окатанного аморфного кремнезема. Установлено, что бетоны на твердом известняке разрушаются в основном по самим гранулам заполнителя, что свидетельствует о хорошей связи между цементным тестом и гранулами. Бетон на дробленом аморфном кремнеземе разрушается частично по гранулам и частично вдоль поверхности соприкосновения гранул с цементным тестом. В бетоне на окатанном кремнеземистом заполнителе разрушение происходит в основном путем отделения цементного теста от гранул, что приводит к малой прочности таких бетонов. Смешанный (мозаичный) отрыв (частично по поверхностному слою породы или цементного камня, частично — по границе раздела щебень — цементный камень) Нисневич М.Л. с соавторами [11] объясняет адсорбционным понижением прочности (по Ребиндеру) на поверхности зерен заполнителя вследствие повышенной дефектности (колебания значений микротвердости по поверхности). Отмечается, что смешанный отрыв наблюдается даже в тех случаях, когда прочность породы при растяжении в несколько раз превышала прочность сцепления. Исследование микротвердости в поверхностном слое щебня, насыщенного водой, показало ещe большее снижение микротвердости (на 10–60%) пород, чем в сухих образцах. Бергом О.Я. с соавторами [1] на двухкомпонентной модели, состоящей из матрицы цементного раствора и содержащихся в ней зерен крупного заполнителя в виде сферических равномерно распределенных по объему включений, были проведены теоретические исследования условий трещинообразования в бетоне в зависимости от макроструктуры с учетом локальных явлений на границе его компонентов. Анализ модели позволил выявить, что наименьшее значение интенсивности внешней нагрузки, вызывающей начало образования контактной трещины сдвига, уменьшается с ростом отношения модулей сдвига раствора (G1) и заполнителя (G2), причем это уменьшение существенно в области 1≤G2/G1≤3, а при G2/G1>3 становится меньше. В тяжелых бетонах высоких марок (G2/G1<1,95) с большей вероятностью можно ожидать, что процесс образования микротрещин начинается с нарушения контакта между цементным раствором и заполнителем, а для низкопрочных бетонов (G2/G1>1,95) — что сначала образуются продольные микротрещины в цементном растворе между частицами крупного заполнителя. Таким образом, наряду с использованием цементов высоких марок и заполнителя, прочность которого должна превышать принятую марку бетона, для высокопрочных бетонов особенно повышается роль сцепления между крупным заполнителем и раствором. Рассмотрим способы увеличения прочности контактной зоны, которые описаны во многих работах российских и зарубежных авторов и применяются на практике. Известны способы активации песка и щебня путем дробления, измельчения и очистки их от вредных примесей. Так, Donza H. с соавторами [22] сопоставил свойства бетонных смесей на основе дробленого и природного песка. Показано, что бетоны на дробленом песке во все сроки твердения имеют большую прочность, чем бетоны на природном песке, что обусловлено улучшением характеристик переходной зоны между цементным камнем и мелким заполнителем. При этом наиболее существенно происходит увеличение толщины и микротвердости контактной зоны при использовании заполнителей электроимпульсного дробления, по сравнению с заполнителями механического дробления, считают Кащук И.В. с соавторами [5]. В данном случае имеют место проникновение продуктов гидратации в поверхностные микротрещины заполнителя электроимпульсного дробления и наличие более развитой зоны межфазных взаимодействий. Широко применяется способ получения бетона с активацией песка измельчением, с добавками суперпластификатора. Однако этот способ не обеспечивает получение высоких потенциально возможных результатов и довольно сложен. Влияние перемешивания на микроструктуру контактной зоны между заполнителем и цементным камнем исследовали Pope A.W. и Jennings H.M. [25]. Раствор на основе портландцемента и дробленого доломитизированного известняка при В/Ц=0,45 приготовляли следующим образом: часть воды (25%) смешивали с заполнителем; к влажному заполнителю добавляли портландцемент и перемешивали в течение 5 мин; вводили вторую часть воды и перемешивали ещe 5 мин. Кроме того, несколько проб раствора получали путем предварительного перемешивания в течение 10 мин цементного теста, к которому добавляли заполнитель и перемешивали ещe 5 или 10 мин. Отмечается, что путем регулирования количества воды, вступающей в контакт с поверхностью заполнителя при перемешивании, можно заметно влиять на свойства контактной зоны. Путем предварительного смешивания заполнителя с частью воды или цементного теста с заполнителем можно уменьшить толщину слоя контактной зоны и повысить однородность распределения негидратированных частиц цемента вокруг зерен заполнителя, а также однородность распределения пор в контактной зоне. Во многих работах описываются способы усиления прочности сцепления цементного камня с поверхностью зерен заполнителя путем нанесения на чистую поверхность песка и щебня тонкого слоя минерального состава, способного образовывать сильные химические связи как с поверхностью заполнителя, так и вступать в реакцию с новообразованиями цементного камня. При этом слабые адгезионные связи заменяются сильными ионными связями и силы сцепления цементного камня с поверхностью заполнителя многократно увеличиваются. Например, Rehm G. и Zimbelmann R. [27] отмечают, что повышение силы сцепления в контактном слое можно достигнуть путем обогащения последнего веществами, обладающими химическим сродством с материалом заполнителя. К таким веществам относится, например, жидкое стекло. Покрытием зерен заполнителя жидким стеклом удалось значительно увеличить силу сцепления заполнителя с цементным камнем, за счет чего прочность бетона на растяжение в возрасте 28 суток повысилась на 200–300%. Прочность сцепления возрастает за счет протекающих на границе раздела фаз пуццоланических реакций между жидким стеклом и Ca (OH)2, образовавшимся в результате гидратации цемента. Для увеличения взаимодействия между заполнителем и цементным камнем Xueqan Wu с соавторами [32] покрывали поверхность известкового заполнителя композицией, полученной перемешиванием жидкого стекла и хлорида кальция. В результате такой обработки прочность бетонных образцов при сжатии возросла на 12–24% и при изгибе на 21–24%. Даже при снижении расхода цемента на 10% прочностные показатели бетона на обработанном заполнителе возросли на 7–8% и 6–19% соответственно. При предварительной обработке заполнителя сцепление между заполнителем и цементным камнем увеличивается, при этом наблюдается снижение интегральной пористости, среднего диаметра пор, объема крупных пор и содержания Ca (OH)2. Вследствие модифицирования контактной зоны в ней отсутствуют крупные ориентированные кристаллы Сa (OH)2. Ещe один способ упрочнения контактного слоя приведен Любимовой Т.Ю. [9], которая считает, что предварительная активация свежеобразованной поверхности кварцевого заполнителя в насыщенном растворе Ca (OH)2 усиливает его действие как активной подложки для возникающих зародышей гидратов цемента, что проявляется в увеличении толщины и степени упрочнения контактных слоев. Гидрофобизация поверхности кварца, например олеатом кальция, наоборот, исключает возможность его действия как подложки для зародышей новой фазы, что проявляется в отсутствии контакта (сцепления) цементного камня с заполнителем и упрочнении контактных слоев. Лукьянчиков С.А. и Кудяков А.И. [8] считают, что необходимо повышать концентрацию кислотных центров на поверхности заполнителя. Для этого производилась обработка заполнителя раствором HCl с концентрацией 3,3•10–6 г/см² HCl, что привело к повышению прочности образцов при сжатии на 14–44% в возрасте 7 сут. и 5–10% — в возрасте 28 сут. Отмечено также увеличение микротвердости контактной зоны цементный камень — зерно кварца через 28 сут. твердения на 100% при обработке HCl и 120% при обработке H2SO4. Способ предварительного покрытия поверхности заполнителя тонкими цементными частицами перед приготовлением бетонной смеси описан Ye Zhengmao с соавторами [33]. Установлено, что в результате такой предварительной обработки заполнителя снижается пористость, повышается прочность при сжатии и снижается проницаемость затвердевшего бетона. Эффективным методом воздействия на контактную зону считается применение добавок-электролитов, ускорителей твердения вяжущего. Однако традиционное введение добавок с водой затворения позволяет решить эту задачу лишь постольку, поскольку добавки влияют на процессы гидратации цемента и структуру цементного камня в целом. Поэтому представляется перспективным метод введения добавок в бетоны путем пропитки ими пористого заполнителя. Главная особенность подобного метода — неравномерное распределение концентрации электролита в цементном тесте и камне с максимумом в контактной зоне — при одинаковой в сравнении с традиционным способом средней концентрацией добавки в бетоне. Такая локализация добавок и, прежде всего, наиболее эффективных из них — на основе хлористых солей — имеет ряд преимуществ. В результате повышенной усадки цементного теста и камня в контактной зоне и обусловленного этим обжатия пористого заполнителя улучшается их совместная работа в бетоне, что должно положительно сказаться на свойствах последнего. Вследствие увеличенной концентрации добавки-электролита в контактной зоне процессы схватывания протекают интенсивнее, чем в бетонной смеси, и это должно способствовать стабилизации пористого заполнителя в изделиях и снижению степени его расслоения. Благодаря пониженной концентрации электролита в зоне расположения арматуры в начальные сроки твердения бетона уменьшается и опасность коррозии стали, что особенно важно для пропариваемых железобетонных изделий. Большое число работ посвящено изучению влияния минеральных добавок на контактную зону цементного камня с заполнителем. Так, в некоторых источниках отмечается, что создание условий возникновения на границе раздела низкоосновных гидросиликатов, обладающих высокой степенью дисперсности, а следовательно и большим числом контактов друг с другом, позволяет обеспечить более однородную и плотную структуру контактной зоны. Это возможно за счет использования смешанного вяжущего, гидратация которого создает благоприятные условия для формирования низкоосновных гидросиликатов кальция в цементном камне. Но при этом необходимо обеспечить кристаллизацию низкоосновных гидросиликатов именно на поверхности крупного заполнителя как на подложке. Для этого нужно создать условия, в которых в начальный период гидратации поддерживается пониженное значение рН среды как одно из необходимых условий кристаллизации низкоосновных гидросиликатов кальция. Это условие обеспечивается введением в состав вяжущего активных минеральных добавок, обладающих высокой адсорбционной и химической активностью по отношению к Са (ОН)2. В результате на границе раздела фаз обеспечивается пониженное значение рН среды, в которой формируются низкоосновные гидросиликаты кальция [3], которые, как известно, отличаются повышенной прочностью и стойкостью в агрессивных средах. Кроме того, Комохов П.Г. [6] считает, что частицы активных минеральных добавок в составе смешанного вяжущего играют роль демпфера, понижая концентрацию напряжений на границе раздела фаз. Исходя из этого представления, важно найти приемлемые технологические приемы, позволяющие гасить внутренние напряжения, прежде всего в контактном слое, то есть на границе раздела фаз. Одним из таких приемов может служить слой на границе раздела с демпфирующими свойствами, т.е. более податливый, способный гасить внутренние напряжения и процесс образования трещин, а в целом — структуру бетона, способную активно сопротивляться различным внешним воздействиям, среди которых большое значение имеет воздействие знакопеременных температур. Такой слой должен состоять преимущественно из гелевидной-субмикрокристаллической фазы, отличающейся от крупнокристаллических новообразований более высокой деформативностью. На компьютерной модели микроструктуры контактной зоны Bentz D.P. и Garboczi E.J. [18] изучили влияние на контактную зону минеральных добавок, например, кремнеземистой пыли и золы-уноса. На основе статистического анализа данных показано, что введение инертных минеральных добавок в количестве <10% в бетонные смеси с В/Ц>0,4 практически не влияет на микроструктуру контактной зоны (кроме смесей с повышенным отделением). Введение пуццолановых минеральных добавок в значительной степени снижает (но не исключает) капиллярную пористость контактной зоны за счет резкого уменьшения общего содержания Ca (OH)2. В то же время рост содержания CSH в непосредственной близости от поверхности заполнителя положительно сказывается на свойствах контактной зоны. В связи с этим отмечается положительное влияние на микроструктуру контактной зоны введение сравнительно небольшого количества минеральных добавок с высокой реакционной способностью, например кремнеземистой пыли. Это подтверждается также в работе Bentur A. и Cohen M.D. [17], которые экспериментально исследовали особенности формирования контактной зоны зерен кварцевого песка с цементным камнем в присутствии микрокремнеземистой добавки. Введение в состав раствора 15% микрокремнеземистой добавки (от массы цемента) существенно изменяет микроструктуру контактной зоны. Плотность и однородность слоя CSH значительно повышаются, поры и пустоты полностью исчезают, что объясняется резким уменьшением водоотделения в растворных смесях, содержащих микрокремнеземистую добавку. Wong Y.L. с соавторами [31] исследовал влияние золы-уноса на прочность и параметры разрушения контактной зоны между цементным раствором и заполнителем. Растворы готовили при В/Ц = 0,3 и содержании золы 15–55%. Показано, что введение 15% золы-уноса приводит к повышению прочности и вязкости разрушения контактной зоны. Замена 45% и 55% цемента золой-уносом приводит к снижению прочности в возрасте 28 суток, однако к 90 суткам твердения различия в прочности отсутствуют. Положительное влияние на упрочнение контактной зоны оказывает и молотый доменный шлак, причем влияние шлака усиливается при повышении его дисперсности. Основной недостаток вышеперечисленных минеральных добавок в том, что они являются в основном отходами производства и в связи с этим имеют переменный состав; кроме того, они не всегда доступны. Так как одной из основных причин наличия в контактной зоне большого числа микродефектов является, в частности, водоотделение и седиментация бетонной смеси, то для борьбы с этим явлением Гордон С.С. [2] приводит некоторые меры, а именно снижение величины В/Ц, но не ниже 0,3…0,29; применение плотных карбонатных заполнителей при твердении бетона без ТВО; обеспечение в бетонной смеси величины К1 (отношение абсолютного объема цементного теста к объему пустот в песке) и К2 (отношение абсолютного объема растворной части к объему пустот в щебне или гравии) в пределах ≥1,2…1,3; применение мокрого домола цемента в вибромельнице; эффективная гомогенизация смеси при ее перемешивании; транспортирование смеси без еe дробления на мелкие объемы и с минимальным числом перегрузок; использование процесса растворения воздуха из воздушных линз с помощью вибрирования, прессования, трамбования и вакуумирования. Библиографический список: 1. Берг О.Я., Хубова Н.Г., Щербаков Е.Н. Разрушение контакта между заполнителем и раствором при сжатии бетона. // Изв. вузов. Строительство и архитектура, — 1972. № 8. — С. 13–17.
|
