Материал: Бетон повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий. Перцев В.Т., Загоруйко Т.В

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ БЕТОНА ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ДЛЯ ОГНЕСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

3.1.Определение рационального состава бетона

3.1.1.Оценка свойств компонентов бетона с термодинамических позиций

Получение бетона повышенной термостойкости, снижающего теплопроводность в процессе огневого воздействия, с необходимыми показателями свойств: требуемой усадкой как при твердении, так и при огневом воздействии; высокой адгезией к несущему конструкционному слою; высокой стойкостью к огневому воздействию, потребовало целенаправленного выбора сырьевых материалов, методика которого представлена в главе 2.

Методической основой исследований являлся метод Ван-Осс-Гуда (VOG) – метод тестовых жидкостей [101, 102]. Были использованы тестовые жидкости: неполярная – дийодметан - и две полярные – вода и формамид - с известными величинами свободной поверхностной энергии.

Использовались следующие компоненты бетона: шунгит, цемент, граншлак, асбест. Свойства исходных компонентов представлены в табл. 3.1.

Результаты экспериментальных исследований методом тестовых жидкостей выбранных компонентов бетона повышенной термостойкости показали следующее.

Шунгит: все тестовые жидкости как гидрофильные (вода и формамид), так и гидрофобная (дийодметан) впитываются мгновенно, вероятно, в силу большого капиллярного эффекта и высокой адсорбционной способности шунгита. Однако, визуальные наблюдения за характером взаимодействия - время впитывания и высыхания контактной поверхности тестовых жидкостей с поверхностью образца из шунгита - позволяют их распределить в соответствии с отмеченными характеристиками в следующий ряд (по увеличению времени): вода, формамид, дийодметан.

I «Цемент +дийодметан» образует каплю, которая быстро расплывается, но на поверхности остается зеркало жидкости. Капля воды в некоторых случаях сохраняет шарообразную форму при большей площади контакта, чем во втором образце, содержащем цемент и граншлак. То есть, можно предполагать, что образец из цемента без шлака более гидрофилен.

II «Цемент + шунгит + дийодметан» впитывается при быстром растекании капли. Вода образует каплю с θ > 900, то есть с малой площадью контакта сцепления. Капля не растекается и крепко держится на поверхности, не отрываясь от образца при его вращении на 1800. Можно предположить, что поверхность преимущественно имеет гидрофобный характер, а высокое сцепление с гидрофильной водой обусловлено в основном Ван-дер-Вальсовыми силами при достаточно развитой поверхности образца.

III «Шлак» - закономерности аналогичны шунгиту.

IV «Асбест» - наблюдается характер взаимодействия с тестовыми жидкостями аналогичный или очень схожий с тем, что отмечен у шунгита и шлака. То есть, по интенсивности взаимодействия тестовые жидкости можно расположить в следующий ряд:

Вода > Формамид > Дийодметан Таким образом, поверхность асбеста носит ярко выраженный гидро-

фильный характер без особых преимуществ для кислотной или основной составляющей полярной компоненты со свободной поверхностной энергией.

Результаты исследований, проведенные методом тестовых жидкостей выбранных компонентов бетона повышенной термостойкости, показали правомерность предположения об эффективном совмещении материалов – шунгита, цемента, граншлака, асбеста, что обеспечивает стабильность бетона и его требуемые свойства для огнестойких железобетонных изделий.

Выполненные исследования показали совместимость выбранных компонентов бетона, предназначенного для создания огнестойких конструкций на основе вариатропных изделий. Выбранные компоненты обеспечат такому бетону низкий показатель усадочности, высокую стойкость к огневому воздействию, высокую адгезию к несущему слою конструкции, возможность изменять теплотехнические показатели в зависимости от температуры огневого воздействия, обладая при этом стойкостью к растрескиванию и отслоению.

52

3.1.2. Влияние дисперсности шунгита на физико-механические характеристики и термостойкость бетона

При введении шунгита в бетон необходимо снизить напряжение, возникающее в бетоне повышенной термостойкости при огневом воздействии за счет вспучивания шунгита. Эта задача может быть решена путем оптимизации размера зерен шунгита.

Механизм вспучивания шунгита можно условно разделить на две ступени [124]. На первой ступени при нагреве частиц шунгита до 400 – 500 0С происходит выделение газопаровых систем в результате окислительно-восстановитель- ных реакций. Интенсивное вспучивание шунгитовых частиц, наблюдаемое на второй ступени в диапазоне температур от 500 0С до 1200 0С, обусловлено протеканием химических реакций. Это предположение подтверждается результатами многочисленных исследований [94, 96 – 98, 124], которые показывают, что при высокотемпературных воздействиях многокомпонентная система шунгита претерпевает существенные изменения, связанные с преобразованием его структуры.

На рис. 3.1 приведена зависимость насыпной плотности шунгита от размера его частиц при температуре обжига 1200 0С.

Рис. 3.1. Зависимость насыпной плотности шунгита от размера его фракции после обжига при температуре 1200 0С [124]

Показано, что с уменьшением размера частиц шунгита после обжига понижается коэффициент вспучивания материала и, следовательно, повышается его насыпная плотность.

Приведенные данные дали основание предположить целесообразность применения частиц шунгита мелких фракций в проектируемых бетонах повышенной термостойкости.

Наши исследования показали, что для повышения термостойкости бетона размер частиц шунгита не должен превышать 5 мм. Так как использование крупных частиц шунгита размером более 5 мм при их вспучивании вызы-

53

вает появление значительных напряжений и, соответственно, микротрещин в бетоне, что нашло подтверждение в результатах наших испытаний, приведенных на рис. 3.2 (для бетона, состав которого приведен в табл. 3.2).

Установлено, что при использовании в составе бетона частиц шунгита с размером 5 мм и более при температурных воздействиях наблюдается снижение прочности бетона. При использовании частиц шунгита с размером от 5 мм до 0,63 мм наблюдается рост прочности бетона по сравнению с бетоном, содержащим более крупные его фракции.

0,315-0,63 0,63- 1,25 1,25-2,5 2,5-5,0 5,0-10,0 10,0-20,0

Рис. 3.2. Прочность бетона с добавкой шунгита разной дисперсности после одного цикла испытания на термостойкость при температуре 1000 0С

Выявленные свойства шунгита и, соответственно, шунгизитобетона были отмечены и в других работах [94, 96 – 98, 124].

3.1.3. Обоснование рационального состава бетона повышенной термостойкости с позиций теории протекания

Учитывая особенности, связанные с увеличением объема частиц шунгита при высокотемпературном нагреве, необходимо рассмотреть требуемую их рациональную концентрацию в цементном камне.

С одной стороны повышение содержания шунгита безусловно приводит к снижению прочностных характеристик цементного камня, а с другой стороны, их наличие предопределяет повышение термостойкости бетона. Присутствие частиц шунгита в недостаточном количестве приводит либо к образованию невзаимосвязанных «кластеров», способствующих получению неоднородной структуры бетона в целом, либо к образованию единого непрерывного «кластера», т.е. взаимно контактирующих в объеме частиц шунгита в цементном камне. Необходимо, чтобы из шунгитовых частиц в цементном камне формировалась непрерывная структура без разрывов, что приводило бы к однородности структуры бетона в целом [125, 126].

54

Для решения этой задачи в нашей работе привлекались фундаментальные положения теории протекания [125, 127]. Важным моментом является оптимизация составляющих в бетоне, а именно в цементном камне связующих материалов цемента и шунгита.

Существует две задачи протекания: по касающимся и по перекрывающимся сферам [128, 129]. Наиболее предпочтительным с точки зрения эффективности как технологической, так и экономической, является создание систем, в которых реализуется модель протекания по касающимся сферам. Безусловно, эта модель имеет вероятностно-детерминированный характер, что подтверждается многочисленными исследованиями, в том числе с использованием ЭВМ

[125].

Вместе с тем возможно с достаточно высокой вероятностью определить необходимое содержание частиц (сфер) шунгита для создания в композите бесконечного «кластера» из касающихся сфер. Модель протекания по касающимся сферам представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Плоская решетчатая модель протекания по касающимся сферам [125]: а – бесконечный кластер; б – изолированный кластер; d – диаметр сферы (стрелкой указан «путь» протекания)

Опираясь на представления теории протекания [127], описывающей возникновение бесконечных связных структур «кластеров», состоящих из отдельных элементов, представленная модель на рис. 3.3 тесно связана с проблемой формирования структуры композитов с дисперсными наполнителями.

Условие протекания по касающимся сферам формулируется в следующем виде [125]

где d – диаметр сферы; Nc1 – критическое число сфер в единице объема. Очевидно, что появление пути протекания обусловлено возникновением

бесконечного кластера (рис. 3.3, а), образующегося из касающихся сфер самопроизвольно возникающей совокупности большого числа связанных между со-

55