Некоторые аспекты структурообразования модифицированных центрифугированных бетонов с использованием суперпластификаторов

Одной из основных причин разрушения бетона является замерзание воды в его порах и капиллярах под воздействием отрицательных температур.

В работе [1] исследовано влияние химических добавок на центрифугированный бетон различных конструкций. Здесь рассматривается изменение структуры и свойств бетона под воздействием различных факторов, в том числе температурных.

Авторы работ [2, 3] делают акцент на физико-механических и деформативных характеристиках центрифугированных бетонов в сравнении с вибрированными. В частности, приведено сравнение двух видов бетонов по показателю морозостойкости в зависимости от наличия химических добавок.

Работы [4 - 7] описывают изменения структуры и свойств конкретных видов железобетонных изделий и конструкций (опор линий электропередачи, труб) после введения химических добавок и воздействия отрицательных температур.

Эксплуатационные характеристики и работоспособность опор зависят от условий формирования структуры бетона и их состояния при замораживании материала, водопоглощения бетона, условий замораживания и оттаивания (скорости, степени, частоты изменения температуры и т. п.), геометрических размеров и внешнего вида конструкций, вида и степени армирования, а также напряженного состояния. Характеристикой сопротивляемости бетона циклам замораживания и оттаивания является показатель «марка по морозостойкости», т. е. число циклов замораживания и оттаивания бетона в насыщенном водой состоянии, которое образцы бетона могут выдержать без уменьшения предела прочности на сжатие и без потери более 2 % массы [8].

В процессе эксплуатации опор и исследований, связанных с ними, выявилось, что большое значение в разрушении бетона опор помимо упомянутых выше факторов имеет и напряженное состояние, которое возникает в опорах при воздействии отрицательных температур. Это напряженное состояние возникает вследствие неоднородности центрифугированного бетона по толщине стенки, которая, в свою очередь, ведет к внушительной разнице в значениях коэффициента линейного температурного расширения различных слоев по толщине конструкции. Бетон в сухом состоянии имеет небольшие различия данного температурного показателя по слоям, возникающие напряжения невелики и особо не влияют на общее напряженное состояние опор. Влажный же бетон имеет внушительные различия в значениях коэффициента линейного температурного расширения внутреннего, среднего и наружного слоев, что во многих случаях влияет на характер деформаций. При длительном воздействии на бетон отрицательными температурами (необходимо учитывать влажность) бетон может подвергаться деформациям расширения вместо требуемых деформаций сокращения [9, 10].

Анализ литературных данных позволил авторам статьи определить методику эксперимента, материалы, средства измерений и вспомогательное оборудование, необходимые для проведения исследования морозостойкости и пористости бетонов, полученных способами вибрирования и центрифугирования.

Объекты и методы исследования. Результаты и их обсуждение

Для выявления механизма повышения морозостойкости бетона с применением добавок в лабораториях кафедры «Технологический инжиниринг и экспертиза в стройиндустрии» Донского государственного технического университета исследовались параметры пористости центрифугированного бетона в сравнении с аналогичными параметрами вибрированного бетона [11–15].

Структура бетона оценивалась по данным кинетики водопоглощения и анализа микроструктуры на оптическом микроскопе для определения двух видов пористости – интегральной и дифференциальной.

Исследования проведены на образцах центрифугированного бетона, а в некоторых опытах - и на образцах вибрированного бетона того же состава, без добавок (CЦ-1), с добавкой-суперпластификатором С-3 0,7 % от массы цемента (СЦ-2), с комплексным модификатором С-З + Аэромикс (0,7 + 0,3 %) (СЦ-3).

Анализ микроструктуры центрифугированного бетона осуществляли отдельно по каждому слою стенки. Результаты анализа приведены в таблицах 1–3.

Таблица 1

Параметры пористости бетонов в зависимости от их водопоглощения

Вид образцов	Маркировка образцов	Водопоглощение по массе, %	Водопоглощение по объему, %	_ Л	α
Центрифугированный	СЦ-1	5,82	13,05	2,1	0,9
	СЦ-2	3,86	8,42	0,65	0,8
	СЦ-3	4,91	10,18	1,19	0,9
Вибрированный	CВ-1	5,21	12,68	1,43	0,9
	CВ-2	4,18	9,99	0,77	0,9
	CВ-3	4,37	10,85	0,6	0,9

Примечание. Л и а - показатели среднего размера и однородности размеров открытых капил- лярных пор.

Показатель среднего размера пор Л , равный пределу отношений ускорения процесса во-допоглощения к его скорости, определяемый по номограммам ГОСТ 12730.4, у центрифугированного бетона СЦ-2 с добавкой-суперпластификатором в несколько раз меньше, чем без добавок СЦ-1. В результате снижается капиллярная пористость, характеристикой которой является Л , повышается морозостойкость, которая зависит от размеров и количества капиллярных пор.

По результатам испытаний можно сделать вывод, что морозостойкость с добавкой-суперпластификатором выше, чем без нее. Результаты испытаний подтверждают повышенную морозостойкость с добавкой суперпластификатора. Марка по морозостойкости центрифугированного бетона СЦ-2 составила F500, тогда как для СЦ-1 - только F100. Данному эффекту способствовало снижение водоцементного отношения около 25 % с добавкой-суперпластификатором при одной и той же подвижности бетонной смеси по сравнению со смесью без применения добавки.

Для образцов СВ-3 и СЦ-3, отформованных вибрированием и центрифугированием, Л составил соответственно 0,6 и 1,19. При этом морозостойкость вибрированных образцов, приготовленных из бетонной смеси, модифицированной С-З + Аэромикс, соответствовала марке более F500, а центрифугированных – F300.

Вибрированные образцы CВ-1 и CВ-2 имели марки по морозостойкости F100 и F300. Морозостойкость центрифугированного бетона с комплексной добавкой в составе была немного меньше вследствие избыточного воздухововлечения.

Характеристики структуры бетонов, выявленные с использованием оптического микроскопа, показаны в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики структуры бетонов, выявленные с использованием оптического микроскопа

Маркировка образцов	Пористость, %
	П п	П д по размерам пор, мкм
		< 20	20-50	50-100	100-200	200-250	250-500	500-1000
СЦ-1	11 ,7	52	27	11	6,3	1,4	1,5	0,8
СЦ-2	7,9	41	26	20	8	4	0,8	0,2
СЦ-3	8,1	20	38	30	10	1,5	0,5	-

Примечание. Пп, Пд – соответственно полная и дифференциальная пористость центрифугиро- ванного бетона.

Характеристики пористости (табл. 2) свидетельствуют о том, что капиллярная пористость в центрифугированном бетоне с добавкой С-3 и комплексной добавкой уменьшается. Кроме того, данные эксперименты показали различия в структуре на границе контактной зоны в заполнителе для образцов СЦ-1, СЦ-2 и СЦ-3. У образцов СЦ-1 наблюдалось неплотное прилегание (цепочнообразные поры). В результате анализа наблюдается нарушение сцепления по контакту, направленному к наружной поверхности центрифугированного образца кольцевого сечения.

Образцы СЦ-2 и СЦ-3 имеют контактную зону с плотным прилеганием растворной составляющей к мелкому и крупному заполнителю.

Пути миграции влаги, которые представляют собой в растворной составляющей внутреннего слоя радиально направленные каналы, в наружном и среднем слоях огибают крупный и мелкий заполнитель. В результате исследований структуры выявлено непрочное сцепление растворной части с заполнителем, которое связано с действием центробежной силы, уплотняющей цементный раствор между частицами заполнителя, что ведет к отделению воды в зоне этих контактов, направленных к наружному слою центрифугированного элемента.

В результате пластифицирующего эффекта в бетонных смесях с добавками уменьшилось начальное водосодержание, приблизившись по значению к нормальной густоте. Фильтрационные каналы при центрифугировании в смесях с добавками более тонкие или не образуются вовсе вследствие значительно меньшего количества свободной жидкости. Образцы центрифугированного бетона с добавкой-суперпластификатором С-3 показали более равномерное распределение заполнителя по толщине стенки, что указывает на изменения в процессах уплотнения бетона при формовании. В данном случае роль отжатия и движения свободной воды в уплотняемой смеси уменьшается, а роль перемещения массы цементного раствора – увеличивается.

Причина данного явления – реологические свойства бетонной смеси, когда при использовании водоредуцирующего эффекта суперпластификатора водоцементное отношение бетонной смеси уменьшается на 25–30 %, что соответствует снижению количества воды на 1 м3 смеси ≈ 50 л.

При этом получается более однородный бетон за счет исключения сепарации в процессе центрифугирования вследствие увеличения вязкости цементного теста. Вероятно, данный эффект для центрифугированного бетона имеет место при определенном рецептурно-технологическом диапазоне и требует дополнительных исследований.

Характеристики структуры слоев центрифугированного бетона, полученные при использовании оптического микроскопа, представлены в таблице 3.

Таблица 3

Маркировка образцов	Наименование и размер зоны по толщине стенки, см	Пористость, %
		П д по размерам пор, мкм
		< 20	20-50	50-100	100-200	200-250	250-500	500-1000
СЦ-1	Н (4,8)	50	25	13	6	2,6	2,3	1,1
	С (1,1)	41	35	13	9,1	1,9	-	-
	В (1,1)	64	28	8	-	-	-	-
СЦ-2	Н (5,6)	45	21	20	8,5	3,9	1,2	0,4
	В (1,3)	25	34	25	11,5	4,5	-	-
СЦ-3	Н (3,5)	22	29	34	12	2,5	0,5	-
	С (0,5)	21	32	42	3	1,5	0,5	-
	В (1,0)	36	33	25	6	-	-	-

Примечание. Н, С, В – соответственно наружный, средний и внутренний слои центрифугированного бетона по толщине стенки. П д – пористость каждого из слоев центрифугированного бетона (дифференциальная).

Характеристики структуры слоев центрифугированного бетона, полученные при использовании оптического микроскопа

Выводы

Для уменьшения разницы между физико-механическими свойствами бетона слоев необходимо более равномерное распределение крупного заполнителя по толщине стенки. Прочность центрифугированного бетона с добавкой С-3 на 20 % выше, а морозостойкость выше в пять раз, нежели показатели бетона без добавок. Изучение же структуры бетона показало его плотное строение и отсутствие проницаемости.

Следовательно, добавление суперпластификатора С-3 в бетонную смесь в количестве 0,4–1,0 % после центрифугирования увеличивает морозостойкость и прочность бетона и уменьшает разницу в характеристиках слоев по толщине стенки бетона. В результате проведенных исследований можно сделать вывод о необходимости применения водоредуцирующего эффекта суперпластификаторов для повышения долговечности железобетонных центрифугированных стоек.

Эффективность воздухововлекающей добавки для повышения морозостойкости центрифугированного бетона не была изучена полностью и требует дальнейших исследований.