Исследование структуры порового пространства цементного камня, подверженного одностороннему циклическому воздействию влаги и знакопеременных температур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование структуры порового пространства цементного камня, подверженного одностороннему циклическому воздействию влаги и знакопеременных температур

Бетон и железобетон на основе цементных вяжущих в настоящее время являются основными материалами, применяемыми в производстве строительных материалов, изделий и конструкций, используемых при строительстве объектов различного назначения на всей территории страны. Если учесть, что большая часть территории России относится к районам, которые характеризуются длительным периодом отрицательных среднесуточных температур и большим числом переходов температуры через 0 ⁰С в течение всего календарного года, то именно от стойкости бетона к совместному воздействию влаги и знакопеременных температур, работающего в данных условиях, зависит долговечность конструкции и здания в целом.

Для бетонов, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур наружного воздуха, морозостойкость является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность. Под морозостойкостью бетона понимают его способность сохранять физико-механические свойства при многократном переменном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии.

В работах Добшица Л.М., Портнова И.Г., Соломатова В.И., Шейкина А.Е. [1,2,3] показано, что морозостойкость цементных бетонов, в первую очередь, определяется параметрами порового пространства цементного камня.

Испытания проводились на фрагменте ограждающей конструкции толщиной 150 мм, изготовленной из цементного теста при В/Ц=0,45. В качестве вяжущего применялся портландцемент без минеральных добавок марки 400 Алексеевского цементного завода ОАО «Мордовцемент».

Фрагмент ограждающей конструкции, подвергшейся одностороннему насыщению водой в течение 72 часов при температуре +18±2 ⁰С, помещались на морозильную камеру, на которой подвергались одностороннему замораживанию (температура воздуха внутри установки -25±2 ⁰С, температура на обратной стороне фрагмента +18±2 ⁰С) в течение 12 часов, после чего оттаивались воде при температуре +18±2 ⁰С в течение 12 часов. После каждых 10 циклов попеременного замораживания и оттаивания проводился отбор проб материала путем распила по толщине фрагмента конструкции на 8 слоев (нумерация слоев принималась со стороны замораживаемой поверхности). Из каждого слоя отбиралось по 10 образцов-кубиков размером 15x15x15 мм, на которых проводилось исследование структуры порового пространства по методу А.Е. Шейкина [1], который основан на анализе кинетики поглощения капиллярно-пористыми материалами смачивающей их жидкости. Этот метод позволяет определить как интегральные (кажущуюся пористость), так и дифференциальные (показатель среднего размера пор и однородности размеров пор) параметры поровой структуры материалов.

При дискретном методе испытание сводится к определению водопоглощения в указанные моменты времени (= 0; 0,25; 1; 24 ч). Первое взвешивание образца производилось через 0,25 ч после его погружения в воду. Образец взвешивается на воздухе (m_0.25). Через 1 ч после погружения образца в воду следует второе взвешивание (m₁). Третье взвешивание производится через 24 ч после погружения образца в воду: на воздухе - m₂₄ и обязательно в воде (гидростатическое взвешивание) - .

По результатам измерений рассчитывались следующие характеристики:

- Истинную (полную) пористость цементного камня:

, (1)

где с - истинная плотность цементного камня, г/см³; с₀ - плотность цементного камня после сушки при температуре +105 ⁰С в течении 12 часов

- Интегральный объем открытых пор, доступных водопоглощению:

(2)

- Объем условно - закрытых пор:

(3)

Многочисленные исследования по водопоглощению капиллярно - пористых материалов показывают, что кинетика водопоглощения цементного камня находится в тесной зависимости от дифференциальных параметров его порового пространства (распределение пор по размерам; показатель среднего размера пор; форма и взаимное расположение пор и капилляров, их прямолинейность, извилистость, направленность и т.д.). Отмечается, что в начальный период насыщения цементного камня водой заполняются более крупные открытые поры и капилляры, а в последующий период - более мелкие. Поэтому нами предлагается все открытые (доступные водонасыщению) поры разделить на 3 группы:

1) группа «крупных» пор и капилляров - это поры, которые заполняются водой в промежуток времени от начала погружения образца в воду до 0,25 ч;

2) группа «средних» пор и капилляров - это поры, которые заполняются водой в промежуток времени от 0,25 до 1 ч;

3) группа «мелких» пор и капилляров - это поры, которые заполняются водой в промежуток времени от 1 до 24 ч.

При проведении экспериментальных исследований параметров структуры цементного камня, не подверженного морозному воздействию (рис. 1), были получены следующие результаты: полный объем открытых пор составляет 26,57%, объем условно - закрытых пор - 9,96%, показатель среднего размера пор - 0,954. Причем распределение всего объема открытых пор по группам следующее: объем 1 группы пор составляет 8,663%, объем 2 группы пор - 7,841% и объем 3 группы пор - 10,073%.

При замораживании в насыщенном водой состоянии в порах и капиллярах цементного камня происходит фазовый переход воды в лед. Под действием ряда деструктивных факторов [1,2,3], сопровождающих образование льда, может происходить локальное разрушение структуры цементного камня, которое выразиться, прежде всего, в изменении интегральных и дифференциальные параметров его порового пространства. Экспериментальные данные (рис. 2, 3) показывают, что изменение этих характеристик при одностороннем воздействии влаги и знакопеременных температур происходит неравномерно по толщине образца - максимальное изменение происходит в замораживаемых слоях (слои 1-4) слое и равно нулю в 8 слое.

Рассмотрим изменение полного объема открытых пор и объема пор 1,2 и 3 группы пор после 60 циклов переменного замораживания - оттаивания (рис. 2). Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что происходит незначительное приращение объема открытых пор в 1-7 слоях (в 1 слое приращение составляет 1,076%, в 7 слое - 0,134%). В тоже время в 1-4 слоях происходит значительное изменение объема пор 1 и 3 группы (в 1 слое объем «крупных» пор возрос с 8,663% до 15,798%, а объем «мелких» пор уменьшился с 10,073% до 2,152%) и незначительное увеличение объема 2 группы пор (в 1 слое - с 7,841% до 9,704%). Очевидно, что такое перераспределение объемов групп пор связано с тем, что при морозной деструкции цементного камня происходит интенсивное разрушение «мелких» и образование при этом новых более крупных пор.

Рис. 1. Зависимость изменения общего объема открытых пор и объема пор 1, 2 и 3 группы по слоям образца не подвергавшегося замораживанию.

При последующих циклах замораживания - оттаивания (рис. 3) также наблюдается незначительный рост объема открытых пор с изменением объема пор 1, 2 и 3 группы (в 1 слое объем «крупных» пор возрос с 15,798% до 17,776%, объем «средних» пор уменьшился с 9,704% до 9,151 а объем «мелких» пор уменьшился с 2,152% до 1,177%).

Рис. 2 Зависимость изменения общего объема открытых пор и объема пор 1, 2 и 3 группы по слоям образца после 60 циклов замораживания - оттаивания.

Рис. 3 Зависимость изменения общего объема открытых пор и объема пор 1, 2 и 3 группы по слоям образца после 100 циклов замораживания - оттаивания

Согласно экспериментальным данным (рис. 4), максимальное уменьшение объема условно - замкнутых пор наблюдается при первых 10 циклах замораживания - оттаивания (в 1 слое происходит уменьшение на 0,435% за первые 10 циклов). При последующих циклах продолжается уменьшение объема условно - замкнутых пор, однако его интенсивность значительно падает (уменьшение объема на 1,092% происходит за 90 циклов).

Рис. 4 Изменение объема условно - замкнутых пор по слоям образца после циклов замораживания - оттаивания

В процессе проведения испытания в цементном камне происходит значительное увеличение показателя среднего размера пор (рис. 5), причем максимальное его увеличение (в 2,82 раза) наблюдается в течение первых 10 циклов замораживания - оттаивания в 1 слое. Увеличение показателя среднего размера пор, свидетельствует о том, что в процессе льдообразования происходит увеличение поперечного сечения пор и капилляров цементного камня, что подтверждается увеличением объема пор 1 и 2 группы и значительным уменьшением объема 3 группы пор (рис. 1, 2, 3).

Рис. 5 Изменение показателя среднего размера пор по слоям образца после циклов замораживания - оттаивания

морозостойкость бетон оттаивание цементный

Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы:

- при одностороннем замораживании образца ограждающей конструкции, изготовленного из цементного теста, происходит значительное, неравномерное по толщине конструкции изменение параметров порового пространства цементного камня, интенсивность которого увеличивается по мере приближения к поверхности замораживания (максимальные изменения наблюдаются в 1-4 слоях конструкции (рис. 1-5);

- наибольшая скорость повреждения структуры цементного камня наблюдается в течение первых 10 циклов замораживания - оттаивания, при дальнейших циклах испытания происходит ее значительное уменьшение;

- наиболее значительным изменениям подвержены дифференциальные параметры поровой структуры (показатель среднего размера пор после 100 циклов замораживания - оттаивания в 1 слое увеличился в 4,2 раза (рис. 5), объем 1 группы пор - в 2,05 раза, объем 2 группы пор - в 1,17 раза, объем 3 группы пор уменьшился в 8,56 раза (рис. 3); следует отметить, что при морозной деструкции цементного камня в первую очередь происходит разрушение мелких пор и образование при этом более крупных;

- происходит незначительное увеличение полного объема открытых пор и капилляров (после 100 циклов замораживания - оттаивания в 1 слое наблюдается увеличение в 1,057 раза) за счет уменьшения объема условно - замкнутых пор и капилляров (после 100 циклов замораживания - оттаивания в 1 слое наблюдается уменьшение в 1,2 раза).

Список литературы

1. Шейкин А.Е. Структура и свойства цементных бетонов / А.Е. Шейкин, Ю.В. Чеховский, М.И. Бруссер. - М.: Стройиздат, 1979. - 344 с.

2. Добшиц Л.М. Морозостойкость бетонов транспортных сооружений / Л.М. Добшиц, И.Г. Портнов, В.И. Соломатов. - М.: МИИТ, 1999. - 236 с.

3. Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. - Л.: Стройиздат, Ленинград. отдел., 1989. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru