Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Строительные материалы и изделия: технология активированных бетонов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Действие вибрации

Здания и сооружения из железобетона нередко подвергаются сотрясениям и вибрации, например, при забивке свай на рядом расположенной строительной площадке. При этом за счет резонансных явлений отдельные железобетонные элементы верхних этажей многоэтажных зданий приобретают вибрационные параметры, многократно превышающие таковые нижних этажей, что может привести к трещинообразо- ванию, снижению несущей способности и даже разрушению конструкций. Данный аспект ассоциируется обычно с неравномерной просадкой грунтов, необходимостью, в связи с этим, проведения соответствующих предупредительных мер (усиление существующих зданий, укрепление грунтооснований). Все это справедливо и не вызывает сомнений. Вместе с тем хотелось бы обратить внимание на вероятность не менее значимого деструктивного момента, требующего непременного учета в теории бетоноведения, практике строительства и эксплуатации железобетонных объектов — химизма процесса, инициированного вибрационным путем.

Итак, что же произойдет с бетоном после его вибрирования не в пластичном периоде, не в стадии отвердевания, формирования структуры и свойств, а в месячном и даже более солидном возрасте? Ответ, на первый взгляд, очевиден: либо ничего негативного (в условиях интенсивных динамических воздействий, к примеру, постоянно и без проблем эксплуатируются железобетонные фундаменты виброблоков, кассетно-стендовых формовочных установок, другого ударно-вибрационного оборудования), либо, действительно, при определенных обстоятельствах возможно появление, развитие, слияние микротрещин, нарушение сплошности бетона с вытекающими отсюда разрушительными последствиями.

На начальном этапе установили возможный интервал изменения прочности при сжатии, связанный с естественной неоднородностью материала. С этой целью стандартные образцы-балочки, изготовленные из различных цементных составов и различных возрастов, раскалывали пополам, парные половинки маркировали, испытывали на прочность при сжатии, сопоставляли, статистически обрабатывали полученные данные. В результате испытания серии из пятидесяти образцов установлен доверительный интервал изменения показателей (при 95%-ной достоверности), составляющий ±8,3 %. Были приняты более жесткие условия эксперимента: считать неизменным показатель прочности бетонов при 10%-ном разбросе его среднего значения.

Как и при изучении температурного фактора, вначале провели испытание на образцах в обычном (не нагруженном) состоянии. На основе новороссийского ПЦ500-Д0 изготавливали образцы-балочки с применением низкомодульного кубанского песка, микрокремнезема (S = 10тыс. см2/г), гиперпластификаторовMypannacrFK63.3 (Bauchemie Russia, г. Санкт-Петербург), VC 5600 RU (ООО «Зика», г. Москва) и про- тивоморозной добавки (поташа). В 28-суточном возрасте герметичного выдерживания балочки раскалывали пополам, маркировали и формировали две серии образцов, в каждой из которой присутствовало по половинке одной и той же балочки. Одну из серий испытали на прочность при сжатии, другую — перед испытанием обработали на лабораторной виброплощадке (п = 50 Гц, Л = 0,86 ± 0,06 мм) в течение 15—30 мин. Подобным образом использовали обычные (бездобавочные) образцы 2—4-летнего возраста.

Как видно из рис. 6.6, 6.7, вибрирование внесло определенные изменения в прочностные показатели образцов, причем наиболее заметные в модифицированных добавками составах. Изменение (увеличение или снижение) прочности для некоторых образцов достигало 50—60 и более процентов.

Изменение прочности виброобработанного цементного камня 28-суточного возраста

Рис. 6.6. Изменение прочности виброобработанного цементного камня 28-суточного возраста:

а — обычного; б — пластифицированного; в — с добавкой поташа

Следующая часть экспериментов посвящена изучению действия вибрации на подвергаемый изгибаемой нагрузке цементный камень. На основе новороссийского ПЦ500-Д0 изготавливали образцы-пластины из «чистого» (бездобавочного) цементного теста с В/Ц = 0,22 + 0,32 (с шагом 0,02), пластифицированных (VC 5600 RU — 1 % от массы цемента по рабочему раствору) составов с В/Ц = 0,18 ч- 0,28 (0,02), а также теста с В/Ц = 0,26 и 0,30 и содержанием добавок-электролитов в каждом из консистенций (К2С03, NaCl, КС1 и СаС12) в количестве 0,5 %; 2,0 % и 5,0 % (от массы цемента по сухому продукту). В двадцативосьмисуточном возрасте герметичного выдерживания образцы по ранее приведенной методике (см. рис. 6.2, а) нагружали центральной изгибающей нагрузкой (10 кгс), составляющей от 30 % до 70 % разрушающего усилия. Стенд с нагруженными образцами при помощи струбцин жестко крепили к лабораторной вибрационной площадке (рис. 6.8), производили виброобработку в течение трех часов и фиксировали время разрушения образцов (в минутах с момента включения вибратора). Использовали три вида виброплощадок с промышленной частотой (50 гЦ) и амплитудами колебаний 0,28 ± 0,09, 0,57 ± 0,05 и 0,86 ± 0,06 мм.

Изменение прочности виброобработанного цементного камня 2—4-летнего

Рис. 6.7. Изменение прочности виброобработанного цементного камня 2—4-летнего

возраста:

а — обычного; б — пластифицированного

Установка для определения вибростойкости образцов

Рис. 6.8. Установка для определения вибростойкости образцов:

  • 1 — тяга с фиксатором; 2 — стенд; 3 — прижина; 4 — образец-пластина;
  • 5 — струбцина; 6 — виброплощадка

Анализируя результаты испытания (табл. 6.1), отметим:

  • 1) временные интервалы вибрационной стойкости образцов имеют близкую величину— 75 ± 10 мин; лишь два показателя: 35 (В/Ц = 0,28) и 174 мин (0,30) не вписываются в данную особенность;
  • 2) разрушение наблюдалось для образцов с низким и повышенным водоцементным значением (образцы с В/Ц = 0,24 ч- 0,26 показали повышенную вибрационную стойкость);

3) амплитуда колебаний (в диапазоне 0,19—0,92 мм) не оказала заметного действия на время разрушения образцов.

Полученные результаты дают основание для следующих обобщений. Прежде всего, близкий интервал «стойкости» подавляющего количества виброобработанных образцов различных составов и прочностей указывает на явную закономерность процесса, связанную не с «фи- зикомеханикой» микротрещинообразования, а с химизмом процесса. Локально рассредоточенные на клинкерных зернах остаточные поверхностно-активные зоны при активации вибрацией связанной воды проходят обычный этап развития (накопления собственной энергии), составляющий по продолжительности отмеченный временной интервал (75 ± 10 мин). Образующийся впоследствии гидрат, увеличиваясь в объеме, является источником внутренних напряжений и причиной ослабления структуры микробетона.

Таблица 6.1

Влияние амплитуты колебаний на вибростойкость образцов

Амплитуда

колебаний,

мм

Время (в минутах с момента начала вибрирования) разрушения образцов-пластин с В/Ц

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

0,32

0,28 ± 0,09

74

не разр.

не разр.

не разр.

174

85

0,57 ± 0,05

60

не разр.

не разр.

35

не разр.

70

0,86 ± 0,06

не разр.

не разр.

не разр.

69

71

86

При этом не следует полагать, что цементные зерна при соприкосновении с водой — одновременно запущенные хронометры. Даже в условиях герметичного выдерживания неизбежен температурновлажностный градиент по объему образцов, приводящий к формированию в микробетоне остаточных негидратированных зон с различной степенью энергетического развития. Для некоторых зон достаточно незначительного вибрационного толчка для осуществления гидрата- ционных процессов (35-минутный интервал для цементного камня с В/Ц = 0,28); деструкция других составов наблюдается в очередном инициированном вибрацией гидратационном акте спустя 90 ± 10-минутный индукционный период (174-минутный интервал для образца с В/Ц = 0,30).

Определенный практический интерес (например, для условий монолитного производства) представляет выявление деструктивного аспекта на более ранних этапах твердения микробетона. В табл. 6.2 представлены показатели прочности и времени разрушения вибрируемых (Л = 0,28 ± 0,09 мм) образцов в возрасте 7, 14 и 28 суток.

Обратим внимание на следующие моменты:

1) 7-суточный возраст отличался «пиковым» значением прочности и отсутствием разрушительных действий, в то время как в более поздние сроки деструктивный аспект проявился во всей красе;

  • 2) в 14-суточном возрасте наблюдалось существенное снижение прочности всех составов, имеющее (как видно из доверительных границ) значимый характер;
  • 3) как и в случае воздействия температурного фактора (см. параграф 6.1), взаимосвязь между прочностью образцов при сжатии и временем их разрушения не просматривается;
  • 4) неожиданным оказалось то обстоятельство, что при практически равной прочности образцов с В/Ц = 0,24 + 0,32 в возрасте 7 и 28 суток деструктивные последствия прямо противоположны;
  • 5) 28-суточные образцы с В/Ц = 0,24 ч- 0,32 разрушились через близкий временной интервал (96 ± 2 мин), несколько отличающийся от ранее отмеченного интервала «стойкости» (75 ± 10 мин).

О 14-суточном сбросе прочности упоминалось ранее (см. рис. 3.20, 3.21). Здесь же отметим существенную роль временного фактора проведения вибрационных воздействий. Вибрационные нагрузки в период максимальных (пиковых) прочностных показателей микробетона (например, в семисуточном возрасте, табл. 6.2) инициируют гидратацион- ные процессы и неразрывно с ними связанную деструкцию. Однако эти процессы могут не привести к разрушительным результатам вследствие асинхронности гидратации на цементных зернах и наличия значительного прочностного потенциала цементного камня. Наложение же вибрации в моменты естественных сбросов прочности сопровождается оперативными разрушительными последствиями, что и фиксируется экспериментом.

Таблица 6.2

Прочность и вибростойкость образцов раннего возраста

В/Ц

Свойства цементного камня в возрасте

7 суток

14 суток

28 суток

Ясж, МПа

Гразр, мин

Ксж, МПа

Гразр, мин

Ясж, МПа

Гразр, мин

0,20

81,6 ± 6,7

не разр.

56,2 ± 9,8

не разр.

105,0 ± 4,0

не разр.

0,24

98,8 ± 2,4

не разр.

37,8 ± 1,2

98

99,2 ± 7,2

94

0,28

82,8 ± 5,8

не разр.

74,9 ± 5,1

51

82,9 ± 3,6

98

0,32

65,8 ± 8,1

не разр.

58,0 ± 7,6

65

79,0 ± 3,0

96

Эта закономерность отчетливо просматривается при сопоставлении кинетических кривых прочности (см. рис. 3.20) и вибростойкости (рис. 6.9) в исследованном временном интервале (11—17 суток твердения). Максимумам прочностных показателей соответствуют максимальные значения вибростойкости и наоборот.

Что касается заметного отличия выявленных интервалов стойкости 11—17-суточных (17—59 мин, см. рис. 6.9) и 28-суточных образцов: 75 ± 10 (см. табл. 6.1) и 96 ± 2 (см. табл. 6.2), то данный момент достаточно очевиден. Образцы изготавливались из индивидуальных составов, твердевших в различное время. Последнее привело к неизбежному отличию температурно-влажностных условий выдерживания, соответственно, формированию остаточных негидратированных поверхностно-активных зон микробетона к моменту вибрирования с различной степенью энергетического развития. При вибрировании, к примеру, в индукционных периодах (точки «А», «Г», рис. 6.10) стойкость бетона будет значительно выше, по сравнению с совпадением вибрационных воздействий с собственными структурными перестройками микробетона (точки «Б», «В»).

Влияние времени вибрирования на длительность вибростойкости нагруженных

Рис. 6.9. Влияние времени вибрирования на длительность вибростойкости нагруженных

образцов-пластин

Фрагмент схемы твердения цементных систем (см. рис. 3.22)

Рис. 6.10. Фрагмент схемы твердения цементных систем (см. рис. 3.22)

Опыты показали повышенную вибрационную стойкость цементного композита при водоцементном факторе 0,24—0,26, что отмечалось ранее при температурном воздействии (см. параграф 6.1). Вероятно, в данном диапазоне водосодержания приобретается некое рациональное соотношение таких параметров как степень поверхностной гидратации цементных зерен, качество (плотность, прочность) контактных зон микробетона и толщина (энергия водородных связей) остаточных полимолекулярных слоев адсорбированных диполей.

Практический интерес представляет действие вибрации на микробетон (бетон в целом) более поздних сроков твердения. Анализируя приведенные в нижеследующей таблице данные, отметим:

  • 1) обращают на себя внимание резко отличные временные показатели вибростойкости образцов раннего (см. табл. 6.2) и позднего (табл. 6.3) возраста. Если для первых вибростойкость входила в 90 ± 10-минутный интервал, то для более зрелых образцов значительная доля пришлась на сроки, оцениваемые трехзначными цифрами, в ряде же случаев разрушение не наблюдалось вообще даже при доведении продолжительности уплотнения до 270—360 мин;
  • 2) учитывая полуторачасовую стадийность процесса, можно заключить, что в значительном числе случаев разрушение образцов наблюдается в первом, инициированном вибрационным воздействием, гидратационном акте. На поздних этапах твердения разрушение может произойти в очередном акте либо (при отсутствии синхронности процесса) отсутствовать вовсе, что подтверждается сопоставлением продолжительности вибрационной стойкости образцов с В/Ц = 0,28 и 0,32 в возрасте 483 и 485 суток, составляющих, соответственно, 60, 1, 20 и 150, 118, 119 мин (отличие сроков, как видно, достаточно близко к полуторачасовой величине);
  • 3) используемые стандартные параметры уплотнения провоцируют в микробетоне всего два гидратационных акта, на что указывает отсутствие разрушения образцов (поз. 2 и 3, табл. 6.3) при доведении продолжительности вибрационной обработки до предельной величины (360 мин). Данный момент можно пояснить огромной, неподвластной вибрационным воздействиям, энергией связи оставшихся в структуре поверхностно-активных зон диполей;
  • 4) отмеченная в предыдущем пункте повышенная вибрационная стойкость образцов говорит, скорее, не о достигнутой структурной оптимизации, а о временном дефиците в микробетоне активной жидкой фазы, который будет устранен в результате влагообмена с окружающей средой с последующими неизбежными деструктивными проявлениями. Этот момент подтверждается обычным ходом деструкции (поз. 7,8) после потребления влаги ранее не разрушенными образцами;
  • 5) несложно заметить повторяемость многих временных интервалов вибростойкости образцов различных составов и возрастов (например, с В/Ц = 0,24 и 0,28 — поз. 1 и 8; 0,32 — поз. 1 и 4 и др.). Этот аспект неопровержимо свидетельствует о неограниченном во времени стадийном характере гидратационного процесса и неоднократном приобретении микробетоном конкретных структурно-энергетических параметров;
  • 8) принимая во внимание установленную особенность, а именно, более оперативное разрушение образцов при совпадении времени осуществления вибрации с собственными гидратационно-деструктивными процессами, можно заключить, что подобная структурно-перестроечная ситуация имеет место в цементном камне с В/Ц = 0,32 во временных интервалах, близких к 321 и 483 суткам.

Образцы на основе пластифицированных составов в подавляющем большинстве случаев выдержали вибрационное уплотнение продолжительностью до 1,5—3,0 часов (разрушился лишь образец с В/Ц = 0,28 через 71 минуту вибрирования). Однако факт столь неожиданной вибрационной стойкости пластифицированного цементного камня вряд ли можно отнести к однозначно позитивному фактору с учетом приведенных в подпараграфе 5.3.4 обстоятельств.

Вибростойкость образцов на поздних этапах твердения

п/п

Возраст,

сут

Время разрушения образцов с В/Ц, мин

0,24

0,28

0,32

1

2

1

2

1

2

1

321

168

170

14

69

1

19

2

465

не разр.

не разр.

не разр.

не разр.

31

не разр.

3

479

не разр.

то же

не разр.

то же

146

191

4

483

65

60

1

20

5

485

не разр.

150

118

119

6

487

не разр.

185

не разр.

не разр.

7

493"'

177

н.ф.

194

203

8

494**

153

194

65

64

67

Примечания.

  • * Испытание не разрушившихся образцов (поз. 4,5) после шестисуточного водо- насыщения; разрушение двух образцов с В/Ц = 0,24 произошло в не фиксированное (н.ф.) время после отключения вибрации.
  • ** То же (поз. 6) после семисуточного выдерживания во влажной среде (без контакта с водой).

Совершенно иная картина при введении в цементный состав добавок-загустителей (поташа, хлоридов натрия и калия) — интервал стойкости образцов при вибрационных воздействиях в 28-суточном возрасте составляет от единиц до нескольких десятков минут (табл. 6.4); лишь использование в качестве добавки хлорида кальция (СаС12) не привело к разрушительным результатам.

Влияние добавок-электролитов на твердение цементных составов связано с внесением в высокоорганизованный кластер из молекул воды дополнительных зарядов, резко изменяющих полимолекулярную структуру и свойства жидкой среды. Одни добавки способствуют формированию мощных структурированных водных систем, снижению подвижности и реакционной активности диполей (положительная гидратация), другие — разрушению водородных связей кластеров, повышению активности и реакционной способности воды (отрицательная гидратация). Представителями первой разновидности добавок являются поташ, хлориды натрия и калия, второй — хлористый кальций.

Известно существенное ухудшение капиллярно-пористой структуры и всех свойств (прочности, плотности, морозостойкости) бетонов с противоморозным компонентом, причем это ухудшение напрямую зависит от количества введенной добавки. Причина столь негативной ситуации очевидна — перевод части воды в связанное состояние, неполноценность электрохимического гидратационного процесса, образование в структуре цементного камня оводненных микрообъемов, соответственно, повышенная влажность и пористость затвердевшего композита, его низкая долговечность. К отмеченному ассортименту недостатков следует добавить не менее значимый — катастрофическое снижение эксплуатационной надежности модифицированных противо- морозным продуктом бетонов в условиях вибрационных воздействий. Разрушение вибрацией относительно слабых электростатических связей структурированных ионами добавок диполей, активация жидкой среды приводят к гидратации остаточных активных центров клинкерных частиц, собственным напряжениям, микротрещинообразованию, ослаблению межзерновых связей микробетона и неизбежной деструкции бетонов.

Таблица 6.4

Вибростойкость образцов с добавками-электролитами

Вид

добавки

Время (мин) разрушения образцов с В/Ц и содержанием добавки (%)

0,26

0,30

0,5

2,0

5,0

0,5

2,0

5,0

28-суточный возраст

К2С03

20

не исп.

не исп.

не разр.

28

24

NaCl

23

13

6

8

8

7

КС1

не разр.

66

21

не разр.

106

53

СаС12

не разр.

не разр.

не разр.

не разр.

не разр.

не разр.

6-месячный возраст

к2со3

не разр.

не разр.

не разр.

174

NaCl

то же

не разр.

76

то же

то же

79

КС1

не разр.

не разр.

не разр.

СаС12

не разр.

не разр.

Примечание. Некоторые образцы с добавкой поташа не изготавливались (не исп.), в связи с быстрым загустеванием смеси.

Структурирующее (противоморозное) действие первых двух добавок (К2С03, NaCl) близко, соответственно близок интервал стойкости виброобрабатываемых месячных составов (см. табл. 6.4). Эти свойства значительно менее ярко выражены у хлорида калия, в связи с чем деструкция подвергающегося вибрации цементного камня в соответствующих образцах имеет место в гораздо более поздние сроки (при минимальном содержании добавки разрушение отсутствовало вообще). Нельзя не видеть (этот момент особенно отчетливо просматривается в предпоследнем составе), что при прочих равных условиях некоторое увеличение водоцементного фактора и снижение содержания добавки приводит к заметному повышению вибростойкости микробетона (бетона).

Конечно же, противоморозные добавки — достаточно эффективное (а в ряде случаев и сложно заменимое) средство зимнего бетонирования. И хотя их действие со временем нивелируется (к шестимесячному возрасту модифицированный противоморозной добавкой микробетон ведет себя аналогично бездобавочному, см. табл. 6.4), тем не менее рассматриваемый и вполне реальный деструктивный аспект должен учитываться при производстве несущих железобетонных конструкций.

Действие хлористого кальция (даже при расходе, не превышающем 1,0 % от массы вяжущего) аналогично твердению обычных цементных систем при температуре от 40 °С до 45 °С — доведение стадийности гидратационного и структурообразующего процессов до 50 ± 5 мин (см. рис. 5.9, 5.10). Таким образом, добавка практически вдвое интенсифицирует твердение бетонов по сравнению с обычными температурными условиями. Более полная поверхностная гидратация цементных частиц при этом определяет повышенную эксплуатационную надежность бетонов, что подтверждается отсутствием разрушения образцов с данной добавкой при вибрационных воздействиях. В связи с этим нельзя не согласиться с появляющимся в последнее время мнением о необходимости пересмотра и уточнения многих традиционно устоявшихся и не отвечающих современным тенденциям развития строительного бетоноведения взглядов и представлений. Это, в частности, относится и к практическому использованию хлорида кальция как весьма эффективного средства не только интенсификации производства, но и повышения качества и эксплуатационной надежности бетонной и железобетонной продукции.

Полученные экспериментальные данные дают основание заключить следующее:

  • 1) выявленная продолжительность вибрационной стойкости нагруженных бездобавочных образцов различных составов и прочностей (не превышающая 90 ± 10 мин) лишний раз указывает на поверхностный характер превращения безводных цементных минералов в гидратированные соединения;
  • 2) в ряде случаев разрушение фиксировалось во втором инициированном вибрацией гидратационном акте (через 174 мин), что сложно объяснить иными обстоятельствами, нежели неоднократно отмечавшейся стадийностью процесса;
  • 3) установлена тесная взаимосвязь вибростойкости и пилообразного набора прочности на ранних этапах твердения, а именно, максимальная стойкость соответствует по времени пиковым прочностным показателям, и наоборот;
  • 4) вновь образующийся гидратный продукт является не только источником внутренних напряжений и вполне вероятной деструкции, но и фактором «самозалечивания» структурных дефектов, повышения конечных прочностных показателей;

5) опасность вибрационных воздействий заключается в активации воды, адсорбционно-связанной в остаточных негидратированных зонах клинкерных частиц, и возможности синхронизации гидратационных явлений в значительном объеме микробетона, что может быть причиной сбросов прочности и аварийных ситуаций.

Надежность и безопасность цементных бетонов при вибрационных (и температурных) воздействиях прямо зависит от полноты и завершенности гидратационных преобразований, что достигается использованием ряда представленных в параграфе 6.1 технологических приемов. Дополнительно отметим:

  • 1) следует ограничить применение в технологии несущих конструкций противоморозных добавок, действующих по принципу структурирования (кристаллизации) молекул воды, причем данный аспект особенно актуален при раннем нагружении бетона, например, при монолитном производстве многоэтажных зданий и сооружений;
  • 2) следует оптимизировать количество воды затворения, что позволит достичь рационального соотношения таких аспектов, как степень поверхностной гидратации цемента, качество (прочность, плотность) контактных участков микробетона, энергетический потенциал остаточных негидратированных зон;
  • 3) положительный результат может быть достигнут путем активации воды затворения (термообработкой, введением в бетонную смесь СаС12, электрофизическим воздействием), обеспечивающей интенсификацию и полноту поверхностных гидратационных процессов, соответственно, получение структурно-стабильного микробетона;
  • 4) следует проявлять осторожность при оперировании современными органическими и синтезированными гиперпластификаторами, принимая во внимание их малое соответствие самоорганизующейся под действием развивающегося в межзерновых пустотах вакуума цементной композиции;
  • 5) совместно с интенсифицирующими термохимическими, электрофизическими режимами осуществлять в пластической стадии циклическую виброактивацию твердеющих несущих железобетонных конструкций путем многократного уплотнения в рациональные сроки (моменты самоорганизации системы);
  • 6) необходимо предохранять несущие железобетонные конструкции даже от кратковременного воздействия высоких температур, вибрации, сотрясений, динамических ударов с любыми параметрами колебаний (при вероятности данной ситуации следует предусмотреть надежные изолирующие меры и устройства);
  • 7) оценка влияния составов и консистенций бетонных смесей, различных добавок, условий твердения и других технологических факторов на надежность бетонов в условиях различных внешних воздействий может осуществляться по представленной в параграфах 6.1 и 6.2 методике испытаний нагруженных образцов-пластин.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>