оптимизация состава и структуры ячеистого бетона с

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА С ПОВЫШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Королев А.С., Волошин Е.А., Трофимов Б.Я.
http://stroymatexpert.ru/@D=22.html
В настоящее время изделия из ячеистого бетона (поробетона) находят все большее распространение при теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений. Наибольшим спросом пользуется конструкционнотеплоизоляционный ячеистый бетон,
изготавливаемый по технологии вспучивания при газовыделении или путем вспенивания растворной смеси.
Значительное количество научных работ посвящено вопросам технологии получения ячеистых изделий. Вместе с тем вопросы, касающиеся зависимости прочности ячеистого бетона от его состава и показателей поровой структуры недостаточно раскрыты до сих пор.
Остаются не выявленными наиболее значимые факторы оптимизации состава ячеистого бетона, которые имеют решающее значение при решении проблемы повышения его прочности при постоянной плотности.
Поэтому авторами были поставлены прикладные задачи: предложить расчетную модель прочности ячеистого бетона, апробировать предложенную модель в эксперименте, определить перспективные направления в повышении прочности ячеистых бетонов.
Общеизвестно, что прочность ячеистого бетона зависит от прочности межпоровых перегородок и общей пористости (плотности). Меркиным А.П. [1, 3, 4] и др. было доказано, что на прочность ячеистого бетона влияние оказывают также характеристики поровой
структуры – размер ячеек и их статистическое распределение по размерам.
При решении первой задачи был выдвинут ряд тезисов:
? прочность ячеистого бетона равна сумме прочностей ячейковых цементных оболочек в количестве, приходящемся на нагружаемую площадь; ?
прочность оболочки равна прочности при изгибе твердой перегородки между ячейками; ?
перегородка может быть представлена в виде балки с двухопорной схемой нагружения с переводным коэффициентом k, учитывающим арочное строение перегородки (рис.1).
Рис. 1. Схема нагружения элементарной ячейки
Предложенная расчетная модель сводится к решению системы уравнений, в котором прочность при сжатии ячеистого бетона может быть выражена как отношение
максимальной нагрузки к площади элементарной несущей ячейки.
где – предел прочности при изгибе перегородки элементарной ячейки; – предел прочности при сжатии образца ячеистого бетона; Nmax – максимальная
разрушающая нагрузка образца; d – средний диаметр элементарных пор; ? – толщина межпоровой перегородки; n – количество элементарных пор на единице площади поперечного сечения; k – коэффициент, учитывающий кривизну изгибаемой поверхности.
Выразив из первого уравнения Nmax и подставив его во второе можно получить следующую зависимость:
Толщину межпоровой перегородки можно определить из условия:
где Vцк – объем цементного камня в образце; Sуд – удельная поверхность воздушных пор образца.
где Р – общая пористость материала, Vм – объем материала в естественном состоянии.
Для дальнейших расчетов примем объем материала равным единице, а пористость определим по формуле:
где D – плотность ячеистого бетона, ?цк – плотность цементного камня.
При Vм = 1 Vцк = D /?цк.
Таким образом получим следующую зависимость:
Подставим полученное выражение в формулу (2) в результате чего получим:
Плотность цементного камня можно определить следующим образом:
где Ц – расход цемента, В – расход воды, ?В – плотность воды, ?В – истинная плотность цемента, 1,15 – коэффициент, учитывающий количество связанной при гидратации воды.
Формула для определения прочности при сжатии ячеистого бетона примет следующий вид:
Полученное уравнение (9) показывает, что при постоянной плотности значимыми факторами, определяющими прочность ячеистого бетона являются: прочность при изгибе межпоровой перегородки и ее толщина, выражаемые через В/Ц-отношение. Так как
прочность межпоровой перегородки прямо пропорциональна активности вяжущего и обратно пропорциональна В/Ц, а толщина перегородки прямо пропорциональна В/Ц, В/Ц-отношение является решающим фактором прочности пенобетона. Специфично то, что в
целом с увеличением В/Ц-отношения прочность ячеистого бетона в определенном диапазоне должна возрастать, т.к. толщина межпоровой перегородки в определенном диапазоне значений В/Ц является более значимым (степенным) фактором, чем ее прочность.
Размер поровой ячейки в полученной зависимости как фактор не участвует.
Для уточнения предложенной модели был проведен эксперимент, в котором создавались условно-ячеистые структуры. Известно, что в бетонах, где отсутствует сцепление матрицы с заполнителем, при нагружении заполнитель не испытывает напряжения [2], т.е.
композит работает как псевдоячеистый материал. Было предложено в качестве псевдоячейки использовать невспученные зерна полистирола, которые обладают низкой величиной адгезии к цементному камню.
Полистирол рассеивался на фракции, соответствующие наиболее распространенным размерам пор в ячеистых бетонах – 0,315…0,63 мм; 0,63…1,25 мм; 1,25…2,5 мм. На основе полученных фракций были получены полистиролбетоны монофракционного псевдоячеистого состава, что соответствует наиболее качественным современным структурам газо- и пенобетонов. Расходы цемента варьировались в диапазоне 500…700 кг/м3, В/Ц-отношения – 0,3…0,4, которые были приняты исходя из наиболее распространенных
величин в пено- и газобетонных смесях на реальных технологических линиях.
При математической обработке результатов эксперимента были получены достоверная зависимость прочности при сжатии (МПа) и ее графические изолинии (рис.2).
В результате эксперимента было подтверждено, что с увеличением значения В/Ц в исследуемом диапазоне прочность ячеистого бетона
увеличивается, поскольку в определенных пределах толщина межпоровой перегородки является более значимым фактором, чем ее
собственная прочность. Однако и данный фактор характеризуется оптимальностью (рис. 3).
Анализ изолиний (рис. 2) показывает, что помимо В/Ц и плотности (толщины межпоровой перегородки) значимым фактором является
диаметр ячейковых пор, который имеет оптимальные области. Анализ макроструктуры поробетонов показал, что при мелких порах
(менее 0,5…1 мм) ячеистая структура отличается большей сообщаемостью ячеек и становится близкой к капиллярной, в отличие от
предложенной модели. В целом это приводит к падению прочности поробетона. При крупнопоровом (более 3…4 мм) строении большое
значение приобретает масштабный фактор и неоднородность порового состава ячеистого бетона, которые также приводят к снижению
прочности.
Рис. 2. Изолинии предела прочности при сжатии полистиролбетона в МПа в возрасте 28 суток.
Рис.3. Зависимость прочности полистиролбетона от В/Ц в возрасте 28 суток
Полученные теоретическая (9) и эмпирическая (10) зависимости были апробированы и подтверждены при получении реальных поробетонов. Причем при оптимальном размере поровых ячеек предпочтительно использовать зависимость (9), а при переменной
дисперсности пор более объективной является зависимость (10).
По проведенной работе можно сделать следующее заключение. Для получения максимальной прочности структура и состав пенобетона постоянной плотности должны оптимизироваться в соответствии со следующими принципами:
1. Поровая структура должна характеризоваться оптимальным размером ячеек и их однородным распределением. Диаметр ячеек должен составлять 1…2 мм, т.к. при меньшем или большем диаметрах прочность ячеистой структуры снижается и может считаться
дефектной или продуктом распада.
2. При подборе состава ячеистого бетона В/Ц-отношение должно быть оптимальным (2…2,5 нормальных густоты цементного теста или растворной смеси), обеспечивающим максимальную прочность ячеистого бетона и устойчивость пено- или газобетонной массы.
3. Водоредуцирование с целью повышения прочности межпоровой перегородки путем введения пластификаторов можно считать неэффективным, т.к. это приводит к снижению объема цементного теста, уменьшению толщины межпо-ровой перегородки и,
следовательно, падению прочности ячеистого бетона, а также устойчивости пеномассы при пенобетонной технологии.
4. Наиболее эффективными путями повышения прочности ячеистых структур являются: повышение прочности межпоровой перегородки путем повышения активности вяжущего, снижение плотности цементного теста и повышение его водоудерживающей
способности путем введения коагулянтов и высокоактивных минеральных добавок.
5. Применение данных рекомендаций позволяет получать конструкционно-теплоизоляционные пенобетоны плотностью D500 и прочностью 1,8…2 МПа.
Библиографический список
1. Меркин А.П. Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития // Строительные материалы. – №2. – 1995. – С.11–15.
2. Безверхий А.А. Прогнозирование прочности композиционных материалов / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: НГАСУ, Новосибирск. – 2000. – 34 с.
3. Сахаров Г.П., Стрельбицкий В.П. Поробетон и технология его производства в XXI веке // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – №6. – 2000. – С.10–11.
4. Ухова Т.А. Неавтоклавный поробетон для однослойных ограждающих конструкций // Бетон и железобетон. – №5. – 1997. – С. 41–43.