Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Д.т.н., проф. Калашников В.И., к.т.н. Нестеров В.Ю.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Роль водостойкого каркаса в повышении

прочности глиношлаковых композитов

Долговечность строительных материалов и конструкций определяется сохранением их прочности, несущей способности после длительных силовых и средовых воздействий. Из результатов испытания глиношлаковых (ГШ) материалов на водостойкость следует, что в зависимости от понижения соотношения «шлак : глина» она падает. При равном соотношении между содержанием шлака и глины коэффициент водостойкости (Кр) находится в пределах 0,5-0,6. Если содержание шлака снижается до 30-40%, то Кр понижается до 0,35-0,45 и становится близким к Кр для гипса. Такой материал принято считать неводостойким. Прессованные ГШ образцы при соотношении шлак-глина 60:40, активированные NaOH в количестве 3%, в сухом состоянии имели прочность при сжатии 75 МПа. После насыщения в воде в течение 3 сут. прочность понизилась до 34 МПа. По Кр= 0,45, испытанное вяжущее относится к воздушному. Однако после годового твердения образцов в воде прочность повысилась до 36 МПа, а через 2 года она возросла до 40 МПа, т.е. в результате длительного воздействия воды ослабления общего каркаса не произошло.

При длительном нахождении в воде водостойкость композиционных материалов зависит от водорастворимости неводостойкого компонента в системе. В цементных и шлаковых вяжущих самой неводостойкой составляющей является портландит, в ГШ вяжущем – портландит и глинистый компонент. Сравнительная оценка модельного известково-цементного вяжущего при соотношении 1:3 («цемент : глина» и «цемент : гидратная известь») показала, что в течение 1 года хранения образцов в периодически сменяемой воде глиноцементные составы значительно более водостойки, чем известково-цементные. Вследствие более высокой растворимости извести (1,3 г/л) по сравнению с глиной (0,0013 г/л) частая смена водной среды привела к более сильному вымыванию известкового каркаса по сравнению с глинистым.

Принятый критерий функционального назначения по Кр не всегда может быть использован для группы материалов, содержащих в своей полиструктуре взаимопроникающие водостойкий и неводостойкий каркасы. Материал может потерять до 40-50% прочности, но также сохранять ее за счет водостойкого каркаса и упрочняться вследствие упрочнения этого каркаса при постоянном нахождении в водной среде. При оценке водостойкости таких материалов оценка потери прочности через 1, 2 или 3 сут. экспонирования в воде является недостаточной. Критерий Кр должен предусматривать два испытания материала: после нахождения его в воде 3 сут. и 30-60 сут. Если в течение длительного периода не отмечается снижение прочности или обнаруживается рост, то материал может эксплуатироваться с теми показателями, которые нормируются по условиям эксплуатации. Для композиционных материалов, содержащих в своей структуре водостойкий и неводостойкий взаимопроникающие каркасы, важно знать, как изменяется прочность во всем диапазоне наполнения. Для ГШ материала, изготовленного из липецкого шлака и лягушовской глины, изменения показателей прочности в сухом и водонасыщенном состояниях представлены на рис. Здесь же приведено изменение Кр после двух месяцев экспонирования в воде. Прочность в сухом состоянии имеет максимум при 20%-ном содержании глины в составе композиционного материала. При повышении доли глины прочность закономерно снижается и при 100%-ном ее содержании уменьшается до прочности спрессованного и высушенного сырца (10 МПа). При насыщении водой сырца глина полностью размучивается. Замена 20% глины шлаком способствует сохранению минимальной прочности в водных условиях хранения. Кривая изменения прочности композиционного материала, насыщенного водой, не имеет максимума – чистое шлаковое вяжущее более водостойко, чем ГШ материал. Однако, хотя Кр по мере снижения доли шлака постоянно уменьшается, интенсивность этого уменьшения с концентрацией шлака неодинакова: в интервале от 30 до 60% шлака Кр изменяется очень незначительно. Уже 20-25% шлака создает в структуре композита водостойкий каркас.

Рисунок. Изменения показателей прочности R_сж в сухом (1) и водонасыщенном (2) состояниях и коэффициента длительной водостойкости K_р (3) в зависимости от состава

Изменение прочности композиционного материала, содержащего в структуре водостойкий и неводостойкий каркасы, можно смоделировать в первом упрощенном приближении в виде стержневой системы с высокой продольной устойчивостью. Сплошные стержни при воздействии нагрузки определяют несущую способность шлакового каркаса, а их количество – содержание шлака в системе. Разорванные стержни моделируют работу неводостойкого глинистого каркаса (в водонасыщенном состоянии между стержнями имеется зазор). Если условно допустить, что сплошные стрежни обратимо уменьшаются в размерах на величину зазора между короткими стержнями, когда материал высушивается, то при полном высыхании зазор ликвидируется и при действии нагрузки в работу включается также неводостойкий каркас. При насыщении водой материал набухает, зазор вновь появляется, и неводостойкий каркас выключается из работы. Эта модель упрощена и легко реализуется лишь при линейной зависимости прочности от состава. Однако она дает наглядное представление о работе глиношлаковых изделий в сухом и насыщенном водой состояниях.