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

бой частиц, когда силы взаимодействия между частицами являются преобладающими.

Исходя из представленного условия, что частицы наполнителя (шунгита) вступают в прямой контакт между собой при объемной его доле, равной vс1=0,16, в композите возникает бесконечный кластер из контактирующих частиц [125].

Таким образом, решение задачи на протекание по касающимся сферам сводится к определению величины концентрации шунгита vс1 согласно зависимости (3.1). С учетом плотности зерен шунгита нами в данных исследованиях общая масса шунгита в составе цементного камня составляет примерно 16 % от объема вяжущего [125]. Заниженная концентрация содержания шунгита связана с особенностями его вспучивания и изменением элементного состава при температурных воздействиях в силу его взаимодействия с составляющими цементного камня.

Следует отметить, что достигнутые результаты испытаний свойств бетона повышенной термостойкости подтвердили правильность наших предположений о выборе состава бетона. Оптимизация состава бетона повышенной термостойкости для вариатропных огнестойких железобетонных конструкций проводилась последовательно по показателям средней плотности бетона и прочности при поддержании постоянной величины подвижности бетонной смеси от 8 до 10 см. Содержание компонентов бетона на 1 м3 варьировалось в следующих диапазонах: цемент от 590 до 248 кг; шунгит от 36 до 177 кг; асбест от 10 до 40 кг; гранулированный шлак от 800 до 1420 кг; вода затворения подбиралась в количестве, необходимом для обеспечения заданной подвижности бетонной смеси.

Согласно методике подбора рационального состава композиционного бетона повышенной термостойкости, описанной в главе 2, полученные данные по критерию Стьюдента являлись достоверными, а по критерию Фишера – значимыми. Результаты оптимизации состава бетона повышенной термостойкости по плотности и прочности показали, что достижение бетоном плотности, лежащей в диапазоне 1480 кг/м3 (твердение образцов протекало при нормальных условиях: температуре ± 20 0С, влажности 100 % в течение 28 сут.), прочности при сжатии 12 МПа и прочности при изгибе 2,5 МПа обеспечивается путем применения рационального его состава, приведенного в табл. 3.2.

После проектирования состава бетона с учетом высказанных ранее предположений была выбрана дозировка шунгита в количестве 44 кг/м3.

Таблица 3.2

Состав бетона повышенной термостойкости

В качестве сравнения в работе использовался эталонный состав бетона, широко применяемый для изготовления бетона повышенной термостойкости, но с отсутствием шунгита в своем составе.

3.2. Исследование изменений структуры бетона повышенной термостойкости после температурных воздействий

3.2.1. Влияние температурных воздействий на изменение элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита

Выполненные исследования элементного состава цементного камня бетона повышенной термостойкости в зоне контакта с зернами шунгита показали следующее. При повышении температуры от 900 0С до 1100 0С происходит изменение элементного состава цементного камня в зоне контакта с частицами шунгита (табл. 3.3).

Установлено, что при повышении температуры от 900 0С до 1100 0С увеличивается процент содержания углеродосодержащих соединений в контактной зоне более чем в 15 раз, содержание кислорода и оксидов алюминия меняется несущественно, но снижается в 2 раза содержание оксидов кремния, а оксидов кальция – в 3 раза. Это свидетельствует о проявлении активности шунгита с повышением температуры и об изменении не только элементного, но и, вероятно, фазового состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита.

Таблица 3.3

Элементный состав цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита после термических воздействий при температуре 900 ° С и 1100 ° С

По результатам экспериментов логично сделать следующие предварительные обобщения. На фоне изменения элементного состава в контактной зоне

57

происходит также вспучивание частиц шунгита, которое может быть осуществлено только в случае изменения вязко-пластичных свойств шунгита. Как будет показано далее (см. п. 3.3.1) этот процесс нашел подтверждение в снижении плотности бетона после его термической обработки. Важным является и тот момент, что увеличение объема частиц шунгита происходит за счет их вспучивания. Возникновения значительных напряжений при вспучивании шунгита, которые могли бы способствовать появлению трещин в бетоне, не наблюдается. Одной из причин такого поведения исследуемого материала может быть изменение фазового состава вяжущего в контактной зоне, что еще раз косвенно находит подтверждение в изменении элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита. Отмеченное явление, вероятно, приводит к изменению свойств цементного камня и, в частности, к повышению его стойкости к трещинообразованию.

3.2.2. Изменение нано- и микроструктуры бетона после температурных воздействий

Осуществлялось изучение структуры бетона, подвергнутого однократному воздействию высоких температур. Результаты, полученные на «срезах бетонов» методом атомно-силовой микроскопии представлены на рис. 3.4.

в) после 1100 0С

Рис. 3.4. Наноструктура поверхности бетона повышенной термостойкости и ее изменение при температурных воздействиях

58

Сравнение результатов, позволило отметить следующее. Сформировавшаяся наноструктура поверхности цементного камня эталонных образцов бетона, подвергнутых однократному воздействию высоких температур равной 700 0С, характеризуется относительной их сглаженностью (рис. 3.4, а), что является причиной снижения сцепления между слоями бетона и, соответственно, приводит к уменьшению его прочности.

Наноструктура поверхности цементного камня в зоне его контакта с зернами шунгита в бетоне повышенной термостойкости отличается большей шероховатостью и, соответственно, более развитой удельной поверхностью (рис. 3.4, б), что, вероятно, и обеспечивает получение материала с более высокими показателями термостойкости. При температурных воздействиях от 900 0С до 1100 0С в бетоне повышенной термостойкости наблюдаются незначительные изменения структуры (рис. 3.4, в), что косвенно подтверждается результатами механических испытаний прочностных показателей бетона.

Исследования микроструктуры показали, что при температуре 700 0С в бетоне эталонного состава наблюдается формирование агрегированной структуры с частичным трещинообразованием (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Электронно-микроскопические снимки поверхности бетона после температурного воздействия 700 0С (× 5000 раз)

Агрегация структуры при температурном воздействии 700 0С присутствует и в бетоне повышенной термостойкости. Наличие трещин не наблюдается. С увеличением температуры до 900 0С (рис. 3.6, а) в бетоне повышенной термостойкости степень агрегирования возрастает, что, вероятно, связано с началом вспучивания шунгита.

Визуально микротрещины не наблюдаются. Однако, снижение прочности бетона (см. п. 3.3.1) дает основание предполагать о накоплении дефектов в структуре. При температурах выше 1100 0С происходит интенсивное вспучивание шунгита, структура цементного камня (рис. 3.6, б) из гранулированной пе-

59

реходит в частично оплавленную с четко выраженными локальными плотными зонами. Формирование неоднородной структуры приводит к снижению прочности бетона (см. п.3.3.1).

Рис. 3.6. Электронно-микроскопические снимки поверхности бетона повышенной термостойкости после температурного воздействия от 900 0С до 1100 0С (× 5000 раз)

3.2.3. Изменение макроструктуры бетона после температурных воздействий

Нано- и микроскопические исследования согласуются с оптическими исследованиями макроструктуры (рис. 3.7). Установлено, что существенные изменения в структуре бетона происходят при температуре более 900 0С. Эти изменения связаны с появлением образований в виде агрегатов в структуре бетона (рис. 3.7, г). На образцах отсутствуют микроповреждения в виде трещин и каверн. При температурном воздействии 1100 0С на поверхности цементного камня четко просматриваются зерна вспученного шунгита (рис. 3.7,е). В то же время наличия трещин и локальных разрушений не наблюдается (рис. 3.7,д).

Таким образом, исследования структуры бетона повышенной термостойкости на различных масштабных уровнях позволили сделать следующее обобщение. При температурных воздействиях до 900 ºC существенных различий между структурой бетона эталонного состава и предлагаемого бетона повышенной термостойкости нет. При воздействии более высоких температур (вплоть до 1100 ºC) наблюдаются значительные различия в структурах этих бетонов. На наноуровне структура цементного камня бетона повышенной термостойкости уже при температурном воздействии 700 ºC по сравнению со структурой бетона эталонного состава имеет значительные различия, которые только усиливаются при температурном воздействии 900 ºC и 1100 ºC.

60