Д.т.н., профессор Калашников В.И., к.т.н. Мороз М.Н.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Влияние наночастиц стеарата кальция на изменение динамического модуля упругости гидрофобизированного гравелитошлакопесчаного бетона

 

Структура бетона изобилует «дефектами», определяющими в значительной мере его поведение под влиянием нагрузок, а также разнообразных физических и химических воздействий. Интенсивность разрушительных процессов в бетоне определяется концентрацией собственных напряжений, возникающих в нем при формировании структуры, при увлажнении-высушивании. Восприятие бетоном механических и коррозионных воздействий и возникновение собственных напряжений определяются упругими и вязко-пластическими свойствами его.

Прочностные и деформативные показатели по результатам кратковременных испытаний для шлакощелочных бетонов в ряде случаев, по данным Щербакова Е.Н. и Писанко Г.Н., не являются показательными для оценки эксплуатационных качеств материала. Для суждения о высокой долговечности материалов важна оценка изменения модуля упругости и прочности в процессе длительных знакопеременных деформаций от увлажнения – высушивания, замораживания – оттаивания, трещинообразования при усадке. При оценке долговечности изделий, работающих в условиях атмосферных воздействий, важно знать кинетику изменения прочностных и деформативных показателей при попеременном увлажнении и высушивании изделий.

Акустические показатели являются наиболее чувствительными косвенными характеристиками изменения физико-механических свойств бетона. При этом мерой микро- и макроструктурных изменений, мерой поврежденности или сохранения структурных связей в наилучшей степени служит изменение динамического модуля упругости.

В связи с этим нами были произведены эксперименты по определению динамического модуля упругости гравелитошлакопесчаного бетона (ГрШПБ) [1], гидрофобизированного наночастицами стеарата кальция в условиях изменения относительной влажности среды в течение 2 лет.

Для гидрофобизации ГрШПБ бетона формовали образцы-балочки размером 4×4×16 см. Вяжущее готовилось следующим образом: зернистый гранулированный Липецкий шлак подвергали совместному помолу с тонкодисперсным стеаратом кальция до удельной поверхности шлака 370 м2/кг, при этом размер частиц стеарата кальция по результатам электронномикроскопического анализа составлял 100-200 нм. Гравий размалывали до высокой удельной поверхности, равной 900 м2/кг. Соотношение по массе между гравием и шлаком принимали 1:1,5, а дозировку металлоорганического гидрофобизатора – 1,5% от массы композиционного вяжущего. В мелкозернистом бетоне соотношение между композиционным вяжущим и песком составляло 1:1,5. Образцы прессовались при давлении 25 МПа. В качестве активизатора твердения применялась щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего при влажности смеси 8%. Образцы твердели во влажных условиях при t = 20¸25°С в течение 28 суток и после естественного высыхания на воздухе были подвергнуты водонасыщению в течение 60 суток.

По истечению этого срока образцы обезвоживались на воздухе в течение 7 месяцев при θ=60-80%, а затем над хлоридом кальция в течение 180 суток и при высушивании в сушильном шкафу при t=80°С. В дальнейшем образцы выдерживались в течение 4 месяцев в естественно-воздушном состоянии и насыщались водой в течение 4 месяцев. На каждом из этих этапов определялся динамический модуль упругости. Частотные характеристики снимались на приборе «Бетон-12». Результаты испытаний представлены в таблице.

Анализ результатов эксперимента показал, что динамический модуль упругости является чрезвычайно чувствительной характеристикой в средах с различной влажностью.При обезвоживании образцов над хлоридом кальция в течение 6 месяцев наблюдается закономерное снижение модуля упругости. При этом существенное падение его отмечено при обезвоживании образцов в период между 14 и 56 сутками нахождения их в эксикаторе. За 42 суток модуль упругости уменьшился у контрольного состава на 24,2%, а у гидрофобизированного наночастицами стеарата кальция – на 21,8%, что свидетельствовало о возникновении микротрещин. В дальнейшем, в период от 56 до 180 суток модуль упругости также уменьшился, однако скорость падения его понизилась.

Таблица

Изменение динамического модуля упругости гидрофобизированного гравелитошлакопесчаного бетона при различных условиях выдерживания образцов

 

Динамический модуль упругости ×10 3 МПа

Условия

выдерживания образцов

Время

выдерживания, сут

контрольный

гидрофобизированный

наночастицами

стеарата кальция

На воздухе

210

42,12

38,42

Обезвоживание над хлоридом кальция в

эксикаторе

2

42,09

36,66

7

41,2

37,28

14

41,51

36,23

56

31,44

29,73

107

28,36

26,52

180

24,76

24,51

Сушка при tº=80ºС

10

27,37

22,38

На воздухе

120

27,52

23,42

Насыщение

в воде

4

34,65

27,91

13

34,21

29,42

48

37,38

32,74

108

38,37

33,06

120

38,67

34,86

Общее падение модуля упругости после 180 суточного обезвоживания над хлоридом кальция составляет: у контрольного – в 1,7 раз, у гидрофобизированного – в 1,57 раза (таблица).

При дальнейшем обезвоживании – сушке при температуре 80ºС в течение 10 суток – у контрольного состава наблюдается повышение модуля упругости. Модуль упругости повысился на 10,5% в контрольном составе. Это объясняется тем, что в гравелитошлаковых составах роль температурного фактора в упрочнении вяжущих и бетонов при высушивании является решающей [2]. Образцы, гидрофобизированные наночастицами стеарата кальция, напротив снизили модуль упругости на 8,7%. Это можно объяснить тем, что гидратационные процессы в гидрофобизированных образцах при повышенной температуре распространяется не на весь объем, а на часть объема, в котором поры заполнились водой, а во-вторых, возможно, сказывается негативное действие стеаратов на развитие глубоких процессов цементации.

При выдерживании высушенных образцов на воздухе в течение 4-х месяцев модуль упругости практически не изменился, что связано со стабилизацией водного баланса и замедлением гидратационных процессов.

При хранении воздушно-сухих образцов в воде модуль упругости существенно возрастает уже через 4 суток: у контрольного состава – на 25,9% и у гидрофобизированного – на 19,1%. Дальнейшее водонасыщение образцов до 120 суток приводит к закономерному повышению модуля упругости, и, практически, восстанавливает его до исходного значения в начале испытаний.

Кинетика изменения модуля упругости гидрофобизированных составов мало отличается от изменения его в контрольных составах. Менее резкие изменения его на стадии сушки и начального увлажнения у гидрофобизированных образцов определяются наличием гидрофобизатора и, вследствие этого, меньшими гигрометрическими изменениями состояния материала.

В целом можно отметить, что абсолютные показатели модуля упругости находятся в пределах, рекомендуемых В.А. Пахомовым и В.Д. Глуховским для шлакощелочных мелкозернистых бетонов естественного твердения марок 300-500 с содержанием щелочей 8-12% в пересчете на Na2O.

 

Библиографический список

1. Калашников В.И. Использование дисперсных гравелитовых пород в качестве основного структурообразующего компонента минеральношлаковых вяжущих // Композиционные строительные материалы: Сборник научн. трудов Междунар. научно-технич. конференции. – Пенза: ПДНТ, 2004. - С. 121-125.

2. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Мороз М.Н., Карташов А.А. и др. Роль и значение сильных щелочей и температурных условий в синтезе прочности минеральношлаковых и геошлаковых вяжущих // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сборник научных трудов Междунар. науч. техн. кон. – Пенза: ПДЗ, 2004. – с.71-79.