В строительной отрасли, в силу внедрения современных технологий новых строительных материалов и повышения качества строительства, начинают преобладать бетоны с повышенными прочностными характеристиками, а надежность стала главным фактором возводимых объектов.
При строительстве объектов предъявляются жесткие требования к таким важнейшим свойствам бетона, как морозо-, коррозиестойкость, водопоглощение, капиллярный подсос, водонепроницаемость, сохранность арматуры в бетоне и другим [6]. Данный подход продиктован прежде всего тем, что жилые комплексы, промышленные здания и сооружения, а также инженерные сети, как правило, работают в водонасыщенных, агрессивных, малоизученных грунтовых условиях.
Качество бетона и его работа в конструкциях и сооружениях определяются его свойствами. Важнейшее свойство материала – прочность. Модуль упругости, ползучесть, усадка такого композиционного материала, как бетон, зависят от деформативных характеристик его компонентов – цементного камня, растворной части и крупного заполнителя, а также от объемной концентрации каждого из них в составе бетона. Искусственный бетонный конгломерат состоит из двух различных по происхождению и свойствам пористых тел: цементного камня и заполнителя. В отличие от заполнителя, размеры пор в цементном камне могут изменяться в процессе твердения под влиянием адсорбционной влаги и внешних механических воздействий [2].
Вода, адсорбированнная в микрокапиллярах пористых тел, обладает свойствами, отличными от гравитационной воды. Под влиянием силового поля твердых фаз изменяется плотность адсорбционно связанной воды, упругость паров и ее кристаллизационные параметры. Плотность адсорбированного мономолекулярного слоя воды на поверхности твердых фаз может колебаться от 1,6 до 2,45 г/см3.
Если капиллярно-пористое тело имеет значительное количество пор, соизмеримых с толщиной «аномальных» водных слоев, то при полном водонасыщении материала степень заполнения пор, определяемая как отношение объемного водопоглощения материала к объему его пор, может существенно превысить 100 % (коэффициент насыщения). Коэффициент насыщения Кн косвенно отражает содержание в порах материала тонких слоев воды, оказывающих, как известно, расклинивающее давление на стенки пор и тем самым понижающих прочность твердых тел [1, 3, 4].
Под действием сжимающей силы, приложенной к водонасыщенному твердому телу, давление в жидкости, находящейся в его порах, определяется двумя независимыми слагаемыми:
1) поверхностным давлением, обусловленным внутренними электромолекулярными силами взаимодействия между поляризованными молекулами (диполями) жидкости и поверхностью твердого тела;
2) гидростатическим давлением, которое вызывается внешним воздействием, подчиняющимся законом гидростатики.
Если жидкость поглощена капиллярно-пористым телом, то поверхностное давление, оказывающее расклинивающее действие, наложится на гидростатическое давление, возникающее под влиянием внешней силы и будет препятствовать соприкосновению стенок пор и выжиманию жидкости из них.
Следовательно, внешняя сжимающая нагрузка, действующая на водонасыщенное пористое тело, будет восприниматься не только его твердой фазой, но и водой, которая, согласно закону Паскаля, окажет дополнительное давление на стенки пор в поперечном направлении образца. В связи с этим ускорится процесс деструкции, и материал исчерпает свою несущую способность при меньшей разрушающей нагрузке, чем в сухом образце. Таким образом, при определении предела прочности водонасыщенного материала проявляется суммарное влияние поверхностного и гидростатического давления, которое в совокупности можно квалифицировать как расклинивающее действие воды.
Характеристикой изменения прочности водонасыщенного материала служит коэффициент размягчения, который обоснованнее именовать коэффициентом снижения прочности водонасыщенного образца к естественно сухому.
Коэффициенты насыщения kн цементного камня и снижения прочности kc в зависимости от его пористости определяли на образцах 50х50х50 мм. До испытаний все образцы твердели в нормально-влажностной среде в течение 70 суток в целях обеспечения более полного протекания физико-химических фазовых превращений. Момент затухания этих превращений прослеживался по изменению массы цементного камня. Высушенные до постоянной массы образцы насыщались водой под вакуумом 200 мм рт. ст. в течение 5–7 суток. Контрольные образцы испытывались на сжатие после высушивания до постоянной массы при 95–105 °С. Пористость определялась по значениям удельной и объемной массы. Для контроля объемная масса водонасыщенных образцов подсчитывалась по соотношению объемного ωоб и массового ωм водонасыщения 
.
Изменение коэффициентов kн и kc в зависимоти от пористости цементного камня
Из рисунка видно, что при уменьшении пористости цементного камня коэффициент насыщения возрастает до максимальной величины 1,66 при некотором критическом значении пористости mкр = 0,14, а затем kн резко уменьшается до 1,0 при m = 0,1. Следовательно, характерная точка а на кривой kн = f(m) свидетельствует о качественном скачке в кинетике водонасыщения цементного камня.
Полученный результат находит свое физическое объяснение в том, что при определенной плотности образцов происходит сближение силовых полей противоположных стенок капилляров до их взаимного накладывания. Это снижает адсорбционную способность цементного камня и, следовательно, степень насыщения его водой. Значение kн, близкое 1, может достигаться при уплотнении цементного теста интенсивными механическими воздействиями или применением гидрофобизирующих модификаторов бетона.
Кривая изменения прочности kc имеет так же, как и кривая kн, две характерные ветви. В интервале пористости mкр и mc, где последняя соответствует значению 1,65, коэффициент kc возрастает от 0,44 до 0,84 (в точке с), а затем уменьшается при х > 1,65 в связи с качественным различием структуры цементного камня. С увеличением х до 1,65, определяющего предел связнности (текучести) цементного теста, увеличение общей пористости сопровождается уменьшением относительного содержания микропор, в которых расклинивающее действие воды сказывается наиболее сильно, поэтому при достаточно высокой прочности скелета цементного камня коэффициент kс возрастает.
При х > 1,65 структура цементного камня, формирующаяся на фоне цементной суспензии в результате седиментационного процесса характеризуется случайными и слабыми кристаллизационными связями между отдельными структурными элементами (агрегатами твердой фазы). В связи с этим при относительно малой величине расклинивающего давления жидкости, возникающего в крупнопористой структуре цементного камня, значение коэффициента kс также снижается.
Качественное изменение структуры цементного камня при m ≤ mкр (точка b) сказывается на его прочности в водонасыщенном состоянии. С уменьшением пористости коэффициент kс возрастает и достигает 1,0 при m ≈ 0,1. Этот участок кривой характеризует изменение прочности цементного камня с очень плотной структурой, например при m ≈ 0,11 значение коэффициента kс соответствует значению kс водонасыщенных изверженных горных пород.
В случае применения гидрофобизирующего модификатора в составе цементного камня коэффициент насыщения цементного камня и коэффициент снижения прочности уменьшается на 15–20 %.
Это объясняется тем, что гидрофобизирующие добавки не только флегматизируют процесс поэтапного накопления и укрупнения дефектов в цементных материалах (локализуют процесс разрушения), но и на определенных этапах эксплуатации (при действии мороза, воды) способствуют восстановлению структуры цементного камня вследствие процессов «самозалечивания», сращивания модифицированных продуктов гидратации в прочный цементный камень [7].
Также были проведены исследования характера пор в цементном камне с гидрофобизирующими комплексными модификаторами, результаты которых представлены в табл. 1. Размеры пор в исследуемых образцах определяли с помощью микроскопа МБС – 2 при увеличениях от х10 до х70.
Таблица 1
Размеры пор и макропористость цементного камня
|
№ состава |
Модификатор |
Размеры макропор, мкм |
Макропористость, % |
||||
|
максимум |
минимум |
преобладающие |
максимум |
минимум |
преобладающая |
||
|
1 |
Контрольный (без модификатора) |
850 |
62 |
162 |
13,0 |
2,85 |
6,0 |
|
2 |
ГКМ |
600 |
40,0 |
95,0 |
3,5 |
2,25 |
2,7 |
|
3 |
ГКМ-А |
500 |
36,0 |
75 |
2,75 |
1,89 |
1,8 |
Анализ данных табл. 1 показывает улучшение капиллярно-пористой структуры цементного камня с гидрофобизирующими модификаторами ГКМ и ГКМ-А по сравнению со структурой цементного камня без добавок. Цементный камень с добавками имеет более плотную и однородную мелкопористую структуру с максимальным размером пор 500–600 мкм (в камне без добавки – 850 мкм). Поры с радиусом порядка 35–40 мкм, обеспечивают оптимальную микропористость для получения бетонов высокой прочности, плотности и морозостойкости. Таким образом, результаты исследования пористости показывают, что предлагаемые гидрофобизирующие модификаторы позволяют получить цементный камень высокого качества.
Исследования деформативных свойств тяжелых бетонов с комплексными гидрофобизирующими модификаторами проведены в соответствии с методическими рекомендациями НИИЖБа. Испытывали на осевое сжатие и растяжение при изгибе образцы-призмы размерами 10х10х40 см. Деформации определяли на каждой ступени нагружения при помощи электронного измерителя АИ-1.
Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2
Прочностные и деформативные свойства бетона
|
модификатор, % от массы цемента |
Прочностные свойства, МПа |
Деформативные свойства |
||||
|
кубиковая |
призменная |
на растяжение при изгибе |
eполз 10-5 мм/м |
eус 10-5 мм/м |
модуль упругости Е ·10-3, МПа |
|
|
Контрольный состав |
33,0 |
27,5 |
3,8 |
29,6 |
40 |
34,2 |
|
0,4ГПД |
38,6 |
30,2 |
4,7 |
32,7 |
39 |
34,9 |
|
0,4 ГКМ ( в виде прямой эмульсии) |
39,4 |
32,5 |
5,2 |
31,30 |
38 |
35,1 |
|
модификатор 0,5ГКМ-А ) (в агломерированном виде) |
40,5 |
32,9 |
5,4 |
33,6 |
38.5 |
35,4 |
Из результатов табл. 2 видно, что кубиковая и призменная прочность бетонов с модификаторами (составы 2–4) выше на 15–20 %, чем у бетона без добавок. Гидрофобизирующие модификаторы способствуют снижению усадочных деформаций бетона, что совпадает с научными данными М.И. Хигеровича [5] о том, что гидрофобизирующие добавки позволяют уменьшить усадочные деформации и тем самым предупредить развитие опасных усадочных трещин и существенно улучшить гидрофизические свойства, повысить стойкость бетона к циклическим воздействиям мороза и тепла. Несколько повышенные деформации ползучести модифицированных бетонов с исследуемыми модификаторами можно объяснить тем, что ингредиенты ПАВ, адсорбируясь на поверхности растущих кристаллов гидросиликатов, способствуют образованию микрокристаллической структуры цементного камня, которая, как известно, способствует увеличению ползучести бетона [7, 5]. В таком состоянии ПАВ в цементных системах, названные «вкрапленниками», улучшают не только подвижность бетонной смеси, но и основные физико-механические свойства бетона, снижают капиллярный подсос, водопоглощение, повышают водостойкость, морозо- и коррозиестойкость.