WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |

ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С ЗАПОЛНИТЕЛЯМИ В БЕТОНЕ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

 ENGLISH VERSION

http://dh.ufacom.ru/Articlebond.html

 

К.т.н. Ильдар Каримов

Адрес для контакта: 450001, Россия, г.Уфа, а/я 21, Башкирский государственный аграрный университет, Кафедра теоретической и прикладной механики, Телефон/факс: (3472) 308138, Email: dh@ufacom.ru

  

Данный литературный обзор освещает современные представления о факторах прочности связи между цементным камнем и заполнителями в бетоне.

  Прочность сцепления цементного камня с заполнителем является одним из определяющих факторов прочности бетона.

При хорошем сцеплении цементной матрицы с заполнителями и их высокой прочности будет реализовываться благоприятное влияние разгрузки матрицы и прочность бетона возрастет. Высокое сцепление в данном случае обусловит включение жестких и прочных заполнителей в работу бетона до исчерпания прочностных возможностей одной из фаз матрицы или заполнителя, что обеспечит упрочнение бетона в силу разгруженности матрицы и высокой прочности заполнителей. В этих условиях будет реализовываться так называемый эффект “армирования” бетона заполнителем [1].

При низком сцеплении матрицы с заполнителями разрушение может происходить при весьма малой нагрузке, при этом не сможет быть реализована ни высокая прочность заполнителей, ни разгруженность матрицы, а прочность бетона окажется ниже прочности матрицы.

Согласно А.Е.Шейкину [3] прочность сцепления цементного камня с зернами заполнителей зависит от многих факторов, в частности:

1) от характера поверхности зерен заполнителей и степени ее чистоты; посторонние частички, располагающиеся на поверхности зерен заполнителей. Например, глинистые примеси резко снижают прочность сцепления;

2) от химикоминералогического состава зерен заполнителей;

3) от прочности цементного камня; с увеличением прочности цементного камня прочность сцепления при прочих равных условиях возрастает;

4) от влагосодержания бетона к моменту испытания; с увеличением влагосодержания бетона при прочих равных условиях прочность сцепления цементного камня с заполнителем уменьшается.

По данным авторов [10] повышение В/Ц в зоне контакта заполнителя с цементным камнем за счет смачивания поверхности каменного материала ослабляет контактную прочность сцепления. Для повышения прочности сцепления можно снижать В/Ц, применять цементы с увеличенной удельной поверхностью, что обусловливает быструю адгезию и химическое связывание воды в зоне контакта.

На сцепление цементного камня с зернами заполнителей оказывают существенное влияние вторичные напряжения, возникающие в бетоне в плоскостях, параллельных действию сжимающего усилия, изза различных значений коэффициентов поперечных деформаций цементного камня и заполнителей.

А.Е.Шейкиным [3] предложена формула, позволяющая описать прочность бетона с учетом сцепления цементного камня с заполнителями:

, (1) где прочность цементного камня; коэффициент Пуассона цементного камня; средний коэффициент Пуассона заполнителей; коэффициент проскальзывания при частичном нарушенном сцеплении цементного камня с заполнителями; объем цементного камня в единице объема бетона; объем заполнителей в единице объема бетона; модуль упругости цементного камня; средний модуль упругости заполнителя.

Из формулы (1) следует, что при полном нарушении сцепления цементного камня (раствора) с крупным заполнителем (когда =1) прочность тяжелого бетона не может быть больше прочности цементного камня.

Максимальная прочность бетона соответствует ненарушенному сцеплению заполнителей с цементным камнем, т.е. когда коэффициент проскальзывания равен 0. Если собственная прочность заполнителей не меньше прочности цементного камня, то она не оказывает непосредственного влияния на прочность бетона.

В работе [25] показано, что в цементе и бетоне сцепление обусловлено адгезией и когезией портландита и гидросиликатов кальция. Сцепление реализуется, в основном, за счет водородных связей, ВандерВаальсовых сил и слабых ковалентных связей. Адгезионное и когезионное сцепление близки по величине. Разрушение по кристаллическим плоскостям портландита более вероятно, чем по аморфным гидросиликатам кальция. Улучшение сцепления заполнителей с цементным камнем возможно за счет химической обработки поверхности заполнителей, обеспечивающей развитие кислотных связей с портландитом. Диффузия в кристаллы портландита металлов типа натрия или калия, легко отдающих электроны, может повысить сцепление между отдельными слоями.



Авторами [4,5,6,7,9,19,20,22,23] были исследованы структура и состав контактных зон между зернами заполнителей и цементным камнем, а также влияние различных факторов на силу сцепления заполнителей с цементным камнем. По данным авторов [20] на поверхности зерен заполнителя образуется многослойная система из продуктов гидратации цемента, состоящая из отличающихся по плотности, структуре и составу контактного слоя, промежуточного слоя и слоя, переходного к цементному камню. Контактный слой, толщина которого для портландцемента составляет 2...3 мкм, а для шлакопортландцемента 0,5...1 мкм, состоит в основном из ориентированных определенным образом относительно поверхности зерен заполнителя кристаллов эттрингита и небольших кристаллов Ca(OH)2. Крупными гексагональными кристаллами Ca(OH)2, ориентированными к поверхности зерен заполнителя под сравнительно большими углами, контактный слой соединяется с довольно пористым, состоящим из кристаллов эттрингита и Ca(OH)2, промежуточным слоем толщиной 5...10 мкм, а последний переходит в более плотный, переходный слой, толщиной также примерно 5...10 мкм. В ходе гидратации, по крайней мере в ранние ее сроки, никаких изменений в контактном слое кроме перехода эттрингита в моносульфат не обнаружено. В промежуточном слое в ходе гидратации начинают накапливаться гидросиликаты кальция в виде пластинчатых и игольчатых образований, прорастающих в контактный слой. Отмечается их определенная ориентация по отношению к поверхности зерен заполнителя. Связь контактного слоя с поверхностью зерен заполнителя осуществляется за счет физических и химических сил сцепления.

Авторами [13] еще глубже исследована микроструктура тонкого слоя (550 мкм) контактной зоны между заполнителем и цементным камнем в бетоне. Показана, что толщина наиболее представительного слоя контактной зоны составляет 1015 мкм. В этом слое имеются весьма пористые участки, обусловленные, главным образом, образованием портландита и диффузионными явлениями при образовании CSH. Вероятность (Р) нуклеации портландита зависит от числа растворяющихся и осаждающихся зародышей СН и может быть описана уравнением P=P0[1exp(c/cm)], где P0 максимальная вероятность нуклеации, с число зародышей СН, остающихся в растворе в определенный промежуток времени, cm масштабный фактор.

Изучению фазовых превращений и структур фаз в контактной зоне на границе затвердевшего портландцементного камня с зернам песка и мрамора была посвящена работа авторов [11]. Установлено, что степень полимеризации CSHфазы выше на границе раздела фаз “цементмрамор”, чем в объеме цементной пасты, причем соотношение Ca/Si CSHфазы в объеме цементной пасты 1,52,0; а на границе раздела 3,54,0. Степень полимеризации силикатных анионов CSHфазы играет важную роль в изменении сопротивления раскалывания в образцах “цементмрамор”.

Авторами [21] выполнена количественная оценка распределения пор и степени гидратации цемента в контактном слое между цементным камнем и заполнителем в бетоне. Количество негидратированных частиц в самом контактном слое невелико и линейно возрастает от 2 до ~ 15% по мере удаления от поверхности зерен заполнителя на расстояние от 1 до 30 мкм. Пористость цементного камня в контактном слое у поверхности заполнителя сравнительно велика (1820%) и постепенно снижается до 810% при удалении от поверхности заполнителя на расстояние до ~ 30 мкм. Данное распределение объясняется адгезией воды на поверхности сухого заполнителя.

Авторами [2] изучена контактная зона цементного камня с основными минералами бетона (полевым шпатом, кальцитом, кварцем, опалом и халцедоном). Установлено, что все перечисленные минералы кроме кварца вступают в химическое взаимодействие с цементным камнем, что приводит к ослаблению контактной зоны цементного камня.





Авторами [12] изучена ориентация кристаллов гидроксида кальция в зоне контакта цементного камня с заполнителем. Установлено, что кристаллы гидроксида кальция в этой зоне строго ориентированы таким образом, что их ось перпендикулярна поверхности заполнителя, причем степень такой ориентации с течением времени возрастает. Ориентация кристаллов гидроксида кальция не зависит от их размеров и от вида и состава заполнителя.

Авторы [29] выделяют в контактной зоне 4 слоя: 1) контактный слой толщиной 23 мкм, состоящий преимущественно из осажденных на поверхность заполнителя гидратных новообразований и включающий значительное количество пор и химически не связанную воду; 2) слой толщиной 510 мкм, богатый кристаллами гидроксида кальция и эттрингита и содержащий некоторое количество геля CSH; 3) слой толщиной 510 мкм, характеризующийся наличием некоторого количества ориентированных кристаллов гидроксида кальция; 4) диффузионный слой.

Авторы [22] установили, что эффективное В/Ц в основной массе цементного камня несколько ниже, чем в контактной зоне, кристалличность CSHфазы в этой зоне несколько выше, чем в основной массе цементного камня. В связи с этим прочность контактной зоны ниже прочности основной массы и ниже прочности заполнителя, особенно при сравнительно малой степени гидратации образцов.

Авторами [16] установлено, что для бетона состава 2:1 (заполнитель:цемент) с В/Ц=0,383 на гранитном щебне показатели пористости (в мм3/г) в возрасте 28 сут составляли: расчетная интегральная пористость бетона 62,3, фактическая интегральная пористость бетона 53,1. Экспериментально определенные показатели пористости ниже расчетных, что свидетельствует о пониженной пористости контактной зоны цементного камня с заполнителем.

Авторами [24] установлено существование промежуточной зоны толщиной ~ 50 мкм, характеризующейся низким содержанием крупных негидратированных цементных зерен, часто с высокой пористостью и наличием пустотелых гидратированных зерен. В присутствии известнякового заполнителя в промежуточной зоне наблюдается пониженное содержание Ca(OH)2 вследствие химического взаимодействия Ca(OH)2 и известняка, а при использовании кварцита высокая концентрация Ca(OH)2.

В контактной зоне локализуется значительное количество микродефектов структуры, чему в определенной мере способствует процесс водоотделения и седиментации, протекающий в свежеуложенной бетонной смеси. Приведенные авторами [15] данные электронномикроскопических исследований показывают, что на участках микродефектов контактной зоны цементного камня с заполнителями формируется значительное количество крупных кристаллов Ca(OH)2.

Микроморфологические исследования контактной зоны растворных образцов на портландцементе и стандартном кварцевом песке при В/Ц от 0,32 до 0,50 и объемной концентрации песка 0,3, проведенные Барнесом В. и Даймондом С. [7] показали наличие вокруг зерен песка двойной плоскости, состоящей из крупных хорошо сформированных кристаллов Ca(OH)2, и расположенных далее пустотелых зерен гидратированного материала.

Этими же авторами [5] с помощью сканирующего электронного микроскопа исследована поверхность раздела стеклянных “заполнителей” и портландцементного камня. На поверхности стекла вначале быстро образуется двойная пленка толщиной ~ 1 мкм. Пленка состоит из Ca(OH)2, покрытой параллельной сеткой призматических кристаллов геля CSH, расположенных перпендикулярно поверхности раздела. Вблизи поверхности раздела цементный камень имеет повышенную пористость, которая через несколько дней уменьшается за счет отложения в порах относительно чистого Ca(OH)2. Продукты гидратации зерен цемента в растворенном виде мигрируют от поверхности раздела, оставляя частично или полностью пустые “оболочки”.

Авторами [28] исследованы состав, структура и прочность контактной зоны мрамора с цементным камнем. Установлено, что в контактной зоне вблизи частиц мрамора (толщина слоя 1015 мкм) происходит образование эттрингита, что приводит к значительному изменению ориентации кристаллов портландита и уменьшению их количества. В связи с таким изменением структуры контактной зоны ее прочность вблизи частиц мрамора возрастает.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.