Вплив дисперсності мікронаповнювача на властивості вібропресованого бетону

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВПЛИВ ДИСПЕРСНОСТІ МІКРОНАПОВНЮВАЧА НА ВЛАСТИВОСТІ ВІБРОПРЕСОВАНОГО БЕТОНУ

Дворкін Л.Й., д.т.н., професор, Житковський В.В., к.т.н., доцент

(Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Наведені результати досліджень впливу гранулометричного складу пилуватої фракції гранітного відсіву на міцність та пористість бетону. Отримані адекватні математичні моделі вихідних параметрів та проведено ізопараметричний аналіз отриманих залежностей. Визначено оптимальний зерновий склад гранітного мікронаповнювача та сформульована гіпотеза його впливу на процеси структуроутворення вібропресованого бетону.

В роботах [1, 2] було відмічено, що роль мікронаповнювача у твердіючих цементних системах багато в чому визначається його зерновим складом. Відповідно до цього наповнювач може виявляти як структуроутворюючу, так і деструктивну дію. За А.Ф.Полаком [3], якщо параметри наповнення виходять за межі оптимуму, у всьому об'ємі цементного каменю чи на окремих його ділянках виникають розтягуючі зусилля:

,(1)

де - степінь гідратації ділянки, яка твердіє; - товщина шару із декількох молекул, що вклинюються між кристалами і приймають участь у добудові кристалу; - міцність вільного кристалу; - відносна деформація; L - розмір кристалу.

Для зняття таких шкідливих зусиль необхідне включення до складу наповнювача деякої кількості зерен крупнішої фракції, які могли б утворювати у твердіючій системі контакти, спричинені силами електричного притягання чи механічного затиснення [1]. Передумови для виникнення таких контактів додатково створюються під час силового ущільнення наджорстких бетонних сумішей, коли зменшуються відстані між взаємодіючими частинками (сприяючи проявленню взаємного притягання) та внаслідок використання “пісних” сумішей зростає ймовірність механічного затиснення інертних до складових цементу частинок.

Наші дослідження проведені раніше [4] показали, що при виготовленні будівельних виробів вібропресуванням із сипких бетонних сумішей (вологість 7…8%), ефективне використання в якості основного заповнювача гранітного відсіву Вирівського кар'єру Рівненської області - відходу подрібнення природного каменю на щебінь. При цьому пилуваті частинки, які містяться у гранітному відсіві у кількості близько 20% і являють собою дисперсну фракцію граніту сприяють підвищенню міцності та щільності бетону, виступаючи в ролі мікронаповнювача цементного тіста. Поряд із позитивним впливом пилуватої фракції гранітного (частинки розміром <0,16 мм), привертає до себе увагу подібний ефект і від підвищення вмісту більш крупних частинок, а саме розміром 0,63…0,16 мм [5]. Отже, можна припустити, що в ролі наповнювача можуть виступати і зерна крупністю до 0,315 мм, можливість чого обгрунтована в роботі [2].

З метою вивчення впливу зернового складу гранітного мікронаповнювача на властивості вібропресованого дрібнозернистого бетону (ВДБ) було проведено експеримент типу “суміш - властивості”. Для проведення досліджень був використаний симплекс-решітчатий план Шеффе для повного квадратного рівняння [6]. Мікронаповнювач був представлений сумішшю трьох фракцій гранітного відсіву: v₁ - 0,315…0,16 мм, v₂ - 0,16…0,08 мм, v₃ - <0,08 мм. Зразки-циліндри d=h=50 мм виготовлялись способом вібрування з привантаженням Р=0,06 МПа, тривалість ущільнення Т=15 с. Склад бетону в точці №1 з найменшою водопотребою бетонної суміші наступний: Ц=300 кг/м³, З (заповнювач)=1750 кг/м³, В=156 л/м³. Після визначення необхідної витрати води в кожній точці експерименту, проводилось коректування складу бетону з метою підтримання постійного В/Ц (В/Ц=0,52). У зв'язку зі значною зміною водопотреби бетонної суміші відповідно до гранулометричного складу наповнювача і пов'язане з цим значне коливання витрати цементу в різних точках експерименту, для можливості проведення більш об'єктивного аналізу результатів, поряд з основними вихідними параметрами (міцність на стиск у віці 28 діб (R_cт, МПа), відкрита пористість (П_в, %), показник середнього розміру пор (л) та показник однорідності розмірів пор (б)) було визначено коефіцієнт ефективності використання цементу:

,МПа?м³/кг(2)

який характеризує вихід міцності бетону з 1 кг цементу на 1м³ бетону. Крім цього експеримент був дубльований при постійних витратах цементу і заповнювача (Ц=300 кг/м³, З=1750 кг/м³).

В результаті комп'ютерної обробки експериментальних даних отримані адекватні математичні моделі вихідних параметрів (табл.1) та побудовані їх потрійні діаграми (рис. 1).

Аналізуючи отримані рівняння регресії слід відмітити, що у випадку коли витрата цементу підтримувалась постійною підвищення дисперсності наповнювача до максимально варійованої приводить до збільшення R_ст на 33…35%, хоча В/Ц при цьому підвищується на 25…27% (рисунок). Найбільш різка зміна міцності спостерігається при зміні розміру зерен від 0,315…0,16 до <0,08 мм. Подібно але більш плавно зростає міцність при переході від фракції 0,315…0,16 до 0,16…0,08мм. Підвищення дисперсності наповнювача від 0,16 мм також викликає підвищення R_ст, але всього на 7…8%.

Таблиця 1. Коефіцієнти рівнянь регресії

Таким чином, не дивлячись на значне підвищення водопотреби бетонної суміші, підвищення дисперсності гранітного наповнювача до частинок розміром <0,08 мм викликає однозначне підвищення міцності на стиск, зниження відкритої пористості, а також покращення показників пористості (зменшення середнього розміру та підвищення однорідності пор).

Хоча при В/Ц=соnst вплив окремих фракцій на міцність аналогічний, загальний характер впливу розміру частинок наповнювача дещо інший. Збільшення частки фракції <0,08 мм у суміші з фракцією 0,315…0,16 мм однак після 50…60% R_ст зростає незначно. Поєднання фракцій 0,315…0,16 та 0,16…0,08 мм дає відчутний ефект підвищення міцності після збільшення останньої фракції до 60…70%. Залежність R_ст від взаємного впливу фракцій <0,08 та 0,16…0,08 мм має характер прогресуючого зростання у бік підвищення дисперсності.

Якщо у випадку Ц=соnst найбільш ефективним є підвищення дисперсності гранітного наповнювача, при В/Ц=соnst, як видно з математичної моделі k_е такий прийом не самий оптимальний, тому що викликане ним підвищення витрати цементу недостатньо компенсується підвищенням міцності. Найкраще поєднання максимальної R_ст та доцільної витрати цементу отримується в результаті використання суміші фракцій: <0,08 мм - 35…50%, 0,16…0,08 - 10…40%, 0,315…0,16 - 40…60%. П_в та показники пористості змінюються аналогічно як при Ц=соnst, однак область їх оптимальних значень не співпадає з комплексним оптимумом k_е та R_ст - через присутність значної кількості крупних зерен структура стає менш однорідною. гранітний бетон пористість наповнювач

Отже, з огляду на вище сказане можна припустити, що здебільшого на вплив процеси гідратації та формування структури ВДБ з гранітним наповнювачем створюють частинки розміром <0,08 мм (про що свідчить збільшення R_ст з одночасним підвищенням В/Ц). Використання наповнювача такої дисперсності ефективне при недостатній кількості цементного тіста для заповнення пустот заповнювача. При збільшенні витрати цементу [4] гранітний мікронаповнювач впливає на властивості ВДБ не так значно, тому спостерігається зниження виходу міцності з кілограма цементу. Поряд з цим присутність у гранулометричному складі наповнювача до 60% зерен крупної фракції (0,315…0,16мм) значно підвищує k_е, знижуючи водопотребу бетонної суміші. Очевидно позитивних ефект гранітного наповнювача у ВДБ проявляється на двох рівнях: на мезорівні найдрібніші частинки сприяють гідратації клінкерних мінералів, а на макрорівні - крупна фракція зменшує пустотність збільшуючи недостатній об'єм в'яжучого тіста.

Механізм позитивної дії гранітного мікронаповнювача на процеси, що відбуваються при твердінні ВДБ визначається особливостями сипких бетонних сумішей. В бетонних сумішах такого типу вода покриває зерна цементу тонкими сольватними оболонками, при цьому цементне тісто являє собою землисто-рихлу масу [7], в якій простір між обводненими зернами цементу заповнений повітрям, яке і являється в даному випадку дисперсійним середовищем. Так як практично дуже тяжко добитись рівномірного розподілення часток цементу та води, і до того ж фактично цемент складається із агрегованих дисперсних частинок, в результаті замішування утворюється система, в котрій вода розподілена нерівномірно. Також існує значна кількість сухих частинок, що знаходяться всередині цементних агрегатів. Для забезпечення найбільш повного проходження процесів гідратації у вібропресованій сипкій бетонній суміші потрібно або збільшувати кількість води (що приведе до підвищення пористості цементного каменю, а разом з тим до зниження його міцності), або підвищувати тиск пресування, що сприятиме віджиманню деякої кількості адсорбційно-зв'язаної води і перерозподіленню її між частинками цементу, але значно ускладнить технологію.

Введення дисперсної кристалічної речовини (гранітного пилу з розміром частинок < 80 мкм) є джерелом додаткової кількості води, адсорбованої на зернах наповнювача, яка повинна сприяти процесам гідратації клінкерних мінералів. Поряд з цим наповнювач, згідно з поміченим деякими авторами “ефектом дрібних порошків” [8], розширює вільний простір між зернами цементу, що сприяє осадженню продуктів гідратації і завдяки чому прискорюється твердіння цементу.

В цементному тісті, яке містить незначну кількість води (В/Ц(цементного тіста)=0,15…0,20) після його затвердіння спостерігається структура, яка складена із частинок твердої фази, охоплених тонкими скловидними оболонками, які являють зв'язані один з одним субмікрокристалічні комплекси, що вміщують молекули води [7]. Тобто, в таких системах новоутворення формуються не в просторі між частинками (як у випадку великих В/Ц), а в тісних умовах на підложці - поверхні цементних частинок. Поряд з цим, як відмічено в роботах [9], більш надійними підложками для утворення зародків гідратаційних новоутворень ніж вихідні частинки цементу. Двомірні зародки кристалів міцно фіксуються на поверхні наповнювача і інтенсифікують організований ріст структури цементного каменю в напрямі, перпендикулярному до поверхні частинок наповнювача [10]. Зародки ж кристалів, що утворюються на частинках вихідного цементу в результаті їх розчинення можуть переходити у зважений стан, що сприяє формуванню випадкової неорганізованої структури цементного каменю. Відомо [10], що ефективність наповнювачів як підложок направленого кристалоутворення підвищується із збільшенням їх дисперсності, що спостерігається і в наших дослідах.

Література

1. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н. Цементные бетотны с минеральными наполнителями.-- К.: Будівельник, 1991.-- 136 с.

2. Соломатов В.И., Выровой В.Н., Дорофеєв В.С., Сиренко А.В. Композиционные строительные материалы и конструкции пониженной материалоемкости.-- К.: Будівельник, 1991.-- 144 с.

3. Полак А.Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ: Вопросы теории.-- М.: Стройиздат, 1966.-- 208 с.

4. Дворкін Л.Й., Житковський В.В. Вібропресований бетон на основі відсівів подрібнення граніту.//Вісник УДАВГ, вип.1, ч. 2., 1998.--С.120-124.

5. Житковський В.В. Вплив зернового складу заповнювача на властивості вібропресованого дрібнозернистого бетону. //Ресурсоекономні матеріали, будівлі і споруди. Вип.6.- Рівне, 2001.- С.15-20.

6. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Огарьков В.А. Численные методы решения строительных задач на ЭВМ. К.: Вища школа, 1989. - 328 с.

7. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона.-- М.: Стройиздат, 1981.-- 464 с.

8. Кокубу И.М. Зола и зольные цементы. //Пятый международный конгресс по химии цемента.- М.: Стройиздат, 1973.- С.405-416.

9. Любимова Т.Ю., Михайлов Н.В., Ребиндер П.А. Влияние кварцевого заполнителя на кинетику твердения минеральных веществ. // Докл./ АН СССР.- Т.162.-№1.-1968.- С.144-147.

10. Физико-химическая механика дисперсных структур. / Под ред. П.А. Ребиндера.- М.: Наука, 1966.- 400 с.

Размещено на Allbest.ru