Изменение прочности ячеистых бетонов в атмосферных условиях

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ В АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ
История развития минеральных вяжущих материалов имеет ряд примеров малой воздухостойкости вяжущих и бетонов на их основе. У некоторых видов вяжущих в нормальных эксатуатаии онных условиях происходит уменьшение прочности, не связанное с действием механических нагрузок, влиянием чередующегося замораживания и оттаивания или намокания. В свое время широкое внимание научных кругов привлекла проблема воздухостоикости извсстково пуццолановых вяжущих. В ряде случаев прочность бетонов на этих вяжущих резко уменьшалась при сжатии в нормальных условиях эксплуатации.
В.Н. Юнг пришел к выводу, что при твердении этих бетоноЕ в нормальных условиях в растворе гидроксида кальция происходит, коллоидация кремнезема гидравлической добавки с образованием адсорбционных систем неопределенного состава, которые пр. * наличии насыщенного раствора Са (ОН)2 переходят в желатина образные гидросиликаты. Малая воздухостойкость этих гидроси ликатов, по В.Н. Юнгу, объясняется развитием микретрещин вследствие их усадки и разложения углекислотой воздуха в несвязную массу. В.Н. Юнг считал, что самым эффективным средством повышения воздухостоикости известково пуццолановых вяжущих является увеличение плотности раствора.Другие ученые утверждали, что воздухостойкость известково пуццолановых вяжущих зависит главным образом от содержание в них извести. В подтверждение этого В.А. Кинд и И.С. Куроцапе г провели испытания растворных образцов состава :3 на известково пуццолановых вяжущих, которые показали, что даже в плотно трамбованных образцах полностью проявляется невоздухостол кость известково пуццолановых смесей при малых добавках извести и их воздухостойкость при увеличенных дозировках известу A.. Щепетов считает, что известь в известково пуццолановс вяжущем необходимо рассматривать как самостоятельное вяжущее, способное к твердению, особенно при наличии коллоидных частин кремнезема. По его мнению, для придания воздухостойкс ти известково пуццолановым вяжущим необходимо пргзильнте сочетание добавки и извести в единице объема вяжущего.Исследуя стойкость автоклавных ячеистых бетонов в различных условиях эксплуатации, автор обнаружил, что в ряде случаз прочность их уменьшается при воздушном хранении и что о: :х могут быть недостаточно воздухостойкими. Химический анализ показал, что гидросиликатная связка цементирующего катая этлх бетонов полностью заменена карбонатами кальция вследствие процесса карбонизации атмосферной углекислотой. Это позволило предположить наличие связи между изменением прочности авт_ клавных ячеистых бетонов при воздушном хранении и их карбонизацией. Основанием для такого предположения служил: так г сходство автоклавных ячеистых бетонов, особенно изе;:тко=: песчаных. по основности гидросиликатного цементного : :амня : бетонами на известково пуццолановом вяжущем, характеризующимися низкой воздухостойкостью. Бетон обычного твердения на известково пуццолановом вяжущем может быть более воздухостоск. нежели автоклавный бегон на портландцементе. Лишь наличие в цементном камне гидросиликатов повышенной основности или свободною Са (ОН)? гарантирует его воз чучос тонкость.Роль отношения CaO S O в известково пуццолановом вяжущем на стойкость его при действии СО, известна давно. Однако выводы об особом влиянии значения згого отношения на воздухо стойкость вяжушего не распространялись на бетоны на портландцементе или извести, поскольку причины повышения возлухо стонкости нзвестково иуццолаиовых вяжуших при повышении в них отношения C..;0 S O остались невыясненными.
Ь приведены результаты анализа изменении объема тердой фазы и кристаллической части твердой фазы в системе гил ппсиликат кальция — углекислый газ вола. В этой системе конечные продукты — карбонат кальция и гель кремнекислоты. До карбонизации твердая фаза згой системы состоит из гидроенликатов кристаллическом состоянии, после карбонизации лишь часть твердой фазы, представленная карбонатом кальция, является крис галлической. При подсчетах гель кремнекислоты взят с тем же количеством воды, которое было связано в гидросиликате. Плотность (удельная масса) гидросиликатов принята по Ю.М. Бутту и Л.П. Рашковичу 6. Взаимодействие гидросиликатов с углекислотой во всех случаях приводит к увеличению объема твердой фазы цементного камня. Однако с уменьшением основности гидросиликата абсолютное значение этого увеличения объема постепенно уменьшается. Объем кристаллической части твердой фазы увеличивается только при карбонизации гидросиликатов повышенной основности. С понижением основности гидросиликатов объем кристаллической части твердой фазы в цементном камне после карбонизации становится меньшим, чем до карбонизации. У дв и трехосновных гидросиликатов, кроме C2SH2, объем кристаллической части твердой фазы вследствие карбонизации увеличивается. Исключение составляет C2SH2, плотность которого 2,5 г см3 существенно меньше плотности остальных гидросиликатов повышенной основности. С переходом к гидросиликатам с основностью менее, 7 объем кристаллической части твердой фазы вследствие карбонизации уменьшается. Это уменьшение у фошагита (основность, 65) составляет 3,9, а у гидролита (основность 0,67) 46, %. У пломбиерита (основность 0,83) уменьшение объема кристаллической части твердой фазы достигает 55%. Этот гидросиликат выделяется среди других низкоосновных гидроенликатов наименьшей плотностью и наибольшим содержанием химически связанной воды.Одновременно с уменьшением объема кристаллической части твердой фазы с понижением основности карбонизирующихся гидросиликатов становится все менее заметным увеличение объема твердой фазы, происходящее у всех гидросиликатов при их карбонизации. Если принять за 00% увеличение объема твердой фазы при карбонизации С2 SH (А), то при карбонизации гидродита С2 S3 H v оно составит лишь 4, 5%, а у пломбиерита объем твердой фазы пс; e карбонизации становится меньшим, чем до карбонизации.Таким образом, понижение основности гидросиликатов цементного камня автоклавных бетонов приводит к прогрессирующему относительному уменьшению объема твердой фазы и абсолюты му уменьшению обьема кристаллической части твердой фазы при взаимодействии гидросиликатов с атмосферной углекислое й Эю в основном определяет то или иное изменение прочности бетона при карбонизации.Если новообразования цементного камня бетона представле.. ы гидросиликатами повышенной основности, то воздействие угтекислоты на такой бетон приведет к увеличению его прочности; Х. чи гидросиликаты имеют пониженную основность, то будет на цтдаться тенденция к уменьшению прочности тем большая, чем менее вероятно изоморфное замещение кристаллов гидросилика ов кристаллами карбоната.Но современным представлениям, оптимизация технологии ав юклавных бетонов должна обеспечить максимальную прочность Потопа при минимальном расходе вяжущего. Это дает возможность и некоторого уменьшения плотности бетона без уменьшения его прочности. Никакие другие критерии, имеющие в виду оценку качества бетона, не принимаются во внимание. Следовательно, оптимальным считается технологический процесс, который обеспечивает максимальное вовлечение в реакцию кремнекислоты и поучение цемеюного камня, состоящего из гидросиликатов возможно меньшей основности. По основности новообразований цемент) o камня современные автоклавные бетоны аналогичны бетонам па известково пуццолановых вяжуших с содержанием извести 20—30%. Это определяет и одинаковый результат реакции взаимодействия новообразований этих бетонов с углекислотой.Приведенные соображения не учитывают возможного положительного влияния на воздухостойкость автоклавных бетонов плотности межпоровых перегородок и содержания в них новообразований, не разлагающихся углекислотой. Количество таких новообра юваний в основном зависит от свойств сырьевых материалов.При повышении плотности цементного камня увеличение межмолекулярных сил сцепления вновь образованных веществ, занимающих больший объем,нежели исходные, может смягчить отрицательное влияние уменьшения объема кристаллической части твердой фазы. Эти факторы особенно при совместном их действии могуг в той или иной мере влиять на воздухостойкость бетона, но v пределяющим фактором в большинстве случаев является основность гидросиликатов кальция цементного камня бетонов.В табл. 35 показано влияние карбонизации на известково песча ные бетоны различной плотности. Содержание активных СаОт t gO в плотном бетоне с расходом извести 209 кг м3 до запаривэния составляло 7,65, а после запаривания — 0,84%, в бетоне с p c ходом извести 387 кг м3 — 4,2 и 7,84% соответственно. Таким об разом, закономерности изменения прочности бетонов при карбонизации сохраняются, несмотря на изменение плотности бетонов.В этой связи необходимо объяснить причину повышения возду хостойкости бетонов на изиестково пуццолановом вяжущем вследствие его автоклавной обработки. Новообразования в цементном камне известково пуццолановых вяжущих нормального тЕсрдения содержат повышенное количество связанной воды. Поэтому при карбонизации этих гидросиликатов наблюдается уменьшение не только кристаллической части твердой фазы, но и общего объема твердой фазы, в то время как при карбонизации гидросиликатов автоклавного твердения, кроме пломбиерита, объем твердой фазы всегда увеличивается.
В табл. 36 приведены данные об исследовании влияния карбонизации на прочность ячеистых бетонов при различном расходе вяжущих различного состава.
В этих опытах использован портландцемент Ново Пашийского завода марки 500 с добавкой 0% гранулированного шлака. Расчетный минералогический состав клинкера: C3S 56,38; C S 20.68: С3А 4,58 и C4AF 5, 3%. Известь Дружинского завода содержала 83% активных CaO+ gO. Известь размалывали с песком в соотношении :0,5 до удельной поверхности 6000 см2 г. Песок тэш липский, содержащий 96,8% S Cb, размалывали до удельной поверхности 2750 см г. Запаривание образцов осуществляли при МПа по режиму 4+2+есгественное охлаждение. Карбонизацию осуществляли 00% ным углекислым газом при давлении 0,0 5 0,025 МПа и влажности образцов 5% по массе.Данные табл. 36 позволяют косвенно оценить влияние содержания в цементном камне новообразований, не разрушающихся углекислотой воздуха, а также структуры цементирующего материала на воздухостойкость бетона. Так, изменение прочности бетонов при карбонизации внутри каждой группы составов отражает влияние изменения основности гидросиликатов, а характер изменения прочности бетонов при карбонизации с примерно одинаковым расходом вяжущего у составов из различных групп позволяет косвенно оценить влияние соединений в цементном камне, не разлагаемых углекислотой, и влияние структуры цементного материала. Рост отношения CaO S O}. достигнутый за счет увеличения содержания цемента, не равнозначен по влиянию на воздухостойкость бетона росту отношения CaO S 02, достигаемому за счет увеличения расхода извести или за счет увеличения доли извести в смешанном вяжущем.Прочность всех составов ячеистого бегона на извести после карбонизации ниже начальной. Кроме того, у состава 20 наблюдается большое падение прочности при карбонизации, нежели у составов 7, 8 и 9. несмотря на то, что расход извести у этих составов меньше, чем у состава 20. Это объясняется влиянием особенностей структуры цементирующего материала, полученного из смеси извести н песка, и отсутствием в to материале новообразований, не разла аемых углекислотой. Для смесей с чрезмерно высоким содержанием извести (состав 20 расход извести 300 кг м3). по всей вероятности, особо велико влияние низкой плотности меж поровых перегородок. Показателем низкой плотности межноровых перегородок и неупорядоченности структуры бетона при таком расходе извести является низкая его прочность при сжатии. Известно, что особенности структуры цементирующего материала из вестково песчаных смесей делают их менее морозостойкими по сравнению с цементно песчаными смесями. Аналогичное явление наблюдается и при сравнении воздухостойкости ячеистых бетонов, приготовленных на извести или на смешанном вяжущем и портландцементе.У составов 6, приготовленных на цементе или на смешанном, вяжушем, при карбонизации наблюдается относительное повышение прочности бетона с увеличением расхода цемента или вяжущего, а у составов с повышенным расходом цемента или вяжущего и абсолютное увеличение прочности по сравнению с первоначальнойНа основании данных табл. 36 интерполяцией можно получить кривые, характер которых наглядно отражает влияние на воздухо стойкость бетонов основности гидросиликатов, структуры цементного камня и содержания в нем новообразований, не разлагаемых углекислотой (рис. 29).Доминирующим фактором является отношение CaO S O. в бетоне, так как практически для всех составов вяжущего, кроме вяжущего без добавки цемента, увеличение этого отношения позволяет получить воздухостойкий бетон.Увеличение содержания цемента в составе вяжущего приводит к повышению в бетоне количества новообразований, не разлагаемых углекислотой, и получению цементного камня с более плотной структурой. Однако при CaO S 02 0,8 увеличение юли цемент а в вяжущем не обеспечивает воздухостойкость бетона.Таким образом, подбор состава ячеистого бетона и технологические параметры его производства должны обеспечивать получение цементного камня, в котором новообразования были бы приставлены не только малоосновными, но и высокоосновными гидросиликатами в таком соотношении, чтобы карбонизация не вызывала уменьшения объема кристаллической части твердой фазы цементного камня.Малоосновные гичросиликзты придают цементном) камнк повышенную прочность, поэтому, исходя из экономических сое 5 ражении. предпочтительнее иметь в цементном камне гидросиликэ ты пониженной основности. Это обеспечит минимальный расход вяжушего. Можно рассчитать для смеси новообразований то соотношение высоко и низкоосновных гидросиликатов, которое, с одной стороны, гарантирует воздухостойкость бетона, с другой обеспечит наименьший возможный расход вяжущего. Нанримег. для цементного камня, состоящего из CSHfA и CSH (B) с плотностью соответственно 2,8 и 2,43 г см3, отношение этих гидросишкатов в цементном камне, при котором обеспечивается возлухо глйкость бетона, равно или больше 0,62. В этом случае при разло кениы новообразований цементного камня углекислотой объем кристаллической части твердой фазы останется неизменным или о чет увеличиваться. Практически невозможно обеспечить точность кинологического процесса, которая гарантировала бы получение меси новообразований цементного камня, состоящей из двух гидросиликатов с заданным их соотношением. Поэтому целесообразно для каждого конкретного технологическою процесса опытным путем определять отношение CaO S Cb в бетоне, обеспечи нающее его воздухостойкость.Обзор исследований влияния исходного C S на состав новообразований цементного камня после гидротермальной обработки u h в 6, 23. Можно заключить, что приС S 0,6 в новобразо аапиях наблюдаются лишь гидросиликаты с основностью около 0,7. Р. Калоусек, исследуя продукты гидратации смесей с C S = 0,8 при 75°С, установил, что если кремнеземистым компонен • ом является кварц, а В Т = 0,4, то на первой стадии реакции (— 2 ч (возникает C2SH (A). Затем последовательно в порядке уменьшения основности образуются гидросиликаты серии CSHCB). которые через 8 ч переходят в тоберморит. Поданным 6, двухосновные гидросиликаты наблюдаются при отношении C S в смеси более 0,82. П.П. Будников, исследуя систему СаО БЮт НтО при повышенных температурах и давлении, отметил, что двухосновные гидросиликаты обнаруживаются в смесях с C S =, запаренных при, 6 МПа в течение 3 и 24 ч. Таким образом, отношение S в исходной смеси, при котором в новообразованиях обнаруживаются гидросиликаты повышенной основности, должно превышать 0,8. Описанные опыты проводились с индивидуальными гидросиликатами при высокой дисперсности кремнеземистого компонента.На рис. 30 приведены термограммы ячеистого бетона, приготовленного с различным расходом цемента. Был использован ново пашнйский цемент марки 500 с добавкой 5% гранулированного пилка. Расчетный минералогический состав клинкера, %: C3S — 2.74. C2S 24,96, С3А 6,48: C4AF 3,6. В качестве кремнеземистого компонента использовали кварцевый песок Ташлин ского месторождения с содержанием S Ot 96,8%. размолотый до чельной поверхности 2750 см2 г. Образцы запаривгли при МПа но режиму 4+2+естественное снижение давления.При расходе цемента 00 и 200 кг м3 в основном образчется оберморит (эндоэффекты при200°и 2 0°С на кривых и 2), а при расходе цемента 300 500 кг м3, кроме тоберморита, появляются гидросиликаты типа CtSH (A) (эндоэффекты при 440°С на кривых 3, 4, 5) и даже свободная известь (эндоэффекты при «30 540°С на кривых и5).С увеличением расхода вяжущего наблюдается относительное вышение воздухостойкости ячеистого бетона (табл. 37). Инт=р Ляцня показывает, что увеличение прочности ячеистого бетона по сравнению с первоначальной наблюдается бетонов, приготовленных из смесей с отношением Г S * 0,8. т.е. v бетонов, термограммы которых показывают наличие высокоосновных гидросиликатов и свободного гидроксида кальция.Гансе было показано (табл. 37, рис. 29). что для ячеистого бетона плотностью 500 кг м3 отношение CaO S O 0,8 также обеспечивает высокую стойкость бетона при карбонизацииЛ гмосферостойкость ячеистого бетона на извести также повышайся с увеличением содержания извести. Однако при этом начальная прочность бетона уменьшается. Поэтому лтмосферостой кость таких бетонов должна обеспечиваться заменой части извести цемсн юм. При составе вяжущего 40% цемента и 60% извести атмосферо сгойкость бетона обеспечивается при отношении СаО S Cb ~ • При Польшей доле цемента требуемое значение отношения CaO S O. меньшается (см. табл. 36, рис. 29).А.Т. Баранов исследовал морозостойкость и атмосферостой кость ячеистых бетонов различных составов, имевших наибольшую прочность при наименьшем расходе вяжущего 3. В состав вяжущего входили портландцемент и известь в различных соотношениях. Атмосферостойкость оценивали по изменению прочности при сжатии образцов после их нахождения в натурных условиях в течение 2,5 лет.У составов с долей извести по массе от 0 до 0,45 прочность вследствие длительного хранения увеличивалась, а у составов ; большой долей извести в вяжущем уменьшилась. Результаты этих опытов совпадают с полученными в наших исследованиях.