Знакопеременные температуры что это

Тампонажные материалы для цементирования обсадных колонн в интервалах залегания ММП

Многолетнемерзлые породы широко распространены на нашей планете и имеются на всех континентах, за исключением Австралии. ММП занимают около 47% территории России. В связи с ростом объемов буровых работ в северных районах приобрели актуальность специфические проблемы, связанные с цементированием обсадных колонн в вечной мерзлоте.

Многолетнемерзлые породы широко распространены на нашей планете и имеются на всех континентах, за исключением Австралии. ММП занимают около 47% территории России. В связи с ростом объемов буровых работ в северных районах приобрели актуальность специфические проблемы, связанные с цементированием обсадных колонн в вечной мерзлоте.

Обычные тампонажные портландцементы непригодны для применения в интервалах ММП, так как они не схватываются, а замерзают при температурах ниже нуля, даже с добавками хлористого кальция, а скорость гидратации при температурах ниже 4°С незначительна.

Если цементный раствор замерзает до начала схватывания, то в нем образуются прожилки льда. При растеплении образца и дальнейшем твердении при положительной температуре лед тает, а прожилки превращается в трещины, количество которых достигает 100 на 1 см2 площади. Трещины являются причиной резкого снижения прочности цементного камня и чрезвычайно высокого роста проницаемости образцов, достигающей 200 мД и более [1].

Таким образом, основным направлением исследований в данной области стала разработка альтернативных тампонажных материалов, соответствующих геолого-техническим условиям цементирования обсадных колонн в интервалах залегания ММП. Среди множества предложенных решений наибольшее распространения получили два типа материалов: на базе высокоглиноземистых цементов и на базе гипсоцементных смесей.

Основным компонентом высокоглиноземистых цементов является моноалюминат кальция CA. Такие цементы обычно схватываются и набирают прочность при низких температурах. Однако они имеют существенные недостатки, среди которых высокое тепловыделение при гидратации, приводящее к растеплению приствольной зоны в процессе ОЗЦ, а также несовместимость их с портландцементом и большинством реагентов, применяемых для обработки тампонажных растворов. Например, хлористый натрий резко замедляет сроки схватывания, а добавка хлористого кальция, напротив, может привести к мгновенному схватыванию цементного раствора. По этим причинам высокоглиноземистые цементы в настоящее время практически прекратили применять для цементирования обсадных колонн.

Требования, предъявляемые к тампонажному материалу, предназначенному для цементирования интервалов ММП, достаточно полно изложены в работах [4] и [5]. Они были рассмотрены с небольшими изменениями в следующем виде:

— цементный раствор должен обеспечивать приемлемое, технологическое оправданное время ОЗЦ;

— цементный камень должен приобретать за время ОЗЦ прочность, достаточную для продолжения буровых работ;

— цемент должен иметь низкую теплоту гидратации для уменьшения степени оттаивания мерзлых пород;

— цементный камень должен быть стойким к циклическим изменениям знакопеременных температур;

— цементный камень должен иметь высокую водостойкость (сохранять прочность при хранении в воде).

Кроме того, цементные раствор и камень должны обладать рядом свойств, предъявляемых к тампонажным растворам в целом (седиментационная устойчивость, технологически приемлемое время загустевания и т. д.).

На основе анализа литературных источников, промысловых данных и результатов лабораторных исследований наиболее перспективным материалом была признана гипсоцементная смесь. При этом заданным параметрам тампонажных растворов соответствовал только высокопрочное гипсовое вяжущее, позволяющее получить высокую раннюю прочность и удовлетворительную водостойкость цементного камня.

Анализ рынка и лабораторные испытания показали, что предъявляемым требованиям, как в части обеспечения заданных параметров тампонажных растворов, так и в части соотношения цена/качество, в наибольшей степени отвечает ГВВС для тампонажных растворов (Тампонажный гипс) производства ЗАО «Самарский Гипсовый Комбинат», который и был принят в качестве базового материала для разработки гипсоцементных тампонажных материалов.

Необходимо отметить, что на ЗАО «Самарский Гипсовый Комбинат» был разработан и в настоящее время производится специальный Тампонажный гипс, который рекомендуется для использования в качестве базового компонента составов, предназначенных для цементирования интервалов ММП.

Первоочередной задачей при разработке рецептуры композиции был поиск эффективного замедлителя схватывания гипса, который позволил бы получить приемлемое время загустевания тампонажного раствора, при этом не влиял отрицательно на прочностные показатели цементного камня, а также имел приемлемую стоимость. В связи с последним требованием рассматривались только реагенты отечественного производства.

Путем применения специальных добавок к Тампонажному гипсу была реализована высокая водостойкость цементного камня. Кроме того, введение данных добавок позволило значительно повысить седиментационную устойчивость тампонажных растворов, сведя водоотделение и усадку практически к нулю. Лабораторные исследования показали, что при хранении образцов Полицем Фрост в воде в течение 90 суток снижения прочности не происходит. Водостойкость цементного камня на базе Полицем Фрост представлена на рис. 1.

Таким образом, были разработаны две рецептуры тампонажных смесей для цементирования интервалов ММП, параметры которых, а также растворов на их основе, не уступают (а по ряду показателей и превосходят) решениям зарубежных компаний, представленным на рынке в настоящее время. При этом состав композиций полностью представлен компонентами отечественного производства, что положительно сказывается на цене конечного продукта. Основные показатели растворов и цементного камня на базе тампонажных материалов Полицем Фрост и Полицем Фрост Лайт приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технологические показатели цементных растворов и камня на базе материалов Полицем Фрост и Полицем Фрост Лайт

Источник

Циклическое воздействие знакопеременных температур на эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов для транспортных сооружений

Одной из основных задач строительства является обеспечение эксплуатационной надежности сооружений. В районах с холодным климатом одной из серьезных проблем является морозная деструкция, результатом которой является преждевременное снижение эксплуатационных характеристик конструкций, соответственно возникают дополнительные затраты на ремонт. Однако для многих районов характерна периодическая смена климатических условий от отрицательных температур зимы к положительным температурам летнего периода.

В настоящее время высокопрочные бетоны начинают все чаще использоваться при строительстве транспортных сооружений. Эти бетоны обладают высокой (55-100 МПа) прочностью, низкой проницаемостью, повышенной коррозионной стойкостью, долговечностью и позволяют снизить материалоемкость конструкций, а также уменьшить трудоемкость работ при укладке бетона в конструкцию за счет применения высокоподвижной бетонной смеси. Кроме того, здания, сооруженные с применением высокопрочного бетона, характеризуются повышенной архитектурной выразительностью.

Важной особенностью применения высокопрочных бетонов является повышение модуля упругости, что, в свою очередь, повышает жесткость конструкции. Транспортные сооружения и конструкции также подвергаются циклическому замораживанию и оттаиванию при воздействии морской воды или солей – антиобледенителей, соответственно возникает потребность в пониженной проницаемости бетона. Этим требованиям лучше отвечают высокопрочные бетоны

Известно, что в значительной степени разрушение большого числа различных сооружений в процессе их эксплуатации обусловлено недостаточной морозостойкостью бетонов, из которых они изготовлены. В то же время многие сооружения, изготовленные из бетонов, подвергающихся многократному попеременному замораживанию и оттаиванию в течение долгих лет (даже десятилетий), не имеют значительных видимых разрушений и не обнаруживают снижения прочности.

Одним из факторов, влияющих на цикл жизни сооружения, находящегося под действием морозной деструкции, является периодическое изменение отрицательной температуры на положительную, что характерно для ряда климатических зон Российской Федерации. Ряд исследователей считают, что при таких условиях эксплуатационный ресурс конструкций может быть не полностью исчерпан.

Данный вопрос очень важен с практической точки зрения: если предположить, что после замораживания и последующего воздействия на бетон положительных температур его физико-механические характеристики повышаются, то возможно прогнозирование увеличения срока службы сооружения при снижении издержек на ремонт.

По проведенным ранее исследованиям выявлено, что степень гидратации модифицированного высокопрочного бетона (α≈50%-60%), более низкая по сравнению с традиционным тяжелым бетоном (α≈80%-90%). Это означает, что оставшийся нереализованным более значительный клинкерный фонд может оказаться ресурсом для кольматации микротрещин и частичного восстановления структуры цементного камня и эксплуатационных свойств бетона. Научная задача состоит в исследовании возможности образования кристаллогидратов CSH в устьях микротрещин. Кристаллогидраты должны кольматировать микротрещины и таким образом залечивать структуру бетона при помещении материала в водные (T=20 °C, W=100%) или влажные (T=20 °C, W=95-98%) условия за счет не полностью использованного ресурса гидратации.

В данной статье рассматриваются вопросы влияния периодического воздействия знакопеременных отрицательных температур на некоторые физико-механические свойства высокопрочных бетонов из высокоподвижных смесей c органо-минеральным модификатором МБ 10-30С.

Идея эксперимента заключалась в сравнении динамики изменения некоторых физико-механических свойств бетонов одинаковых классов по прочности на сжатие, имеющих равный объем цементного камня, но разного фазового состава. Сравнения проводили по таким параметрам, как морозостойкость, прочность на сжатие, призменная прочность, модуль упругости, относительные линейные деформации, диффузионная проницаемость, объемная масса.

Исследования велись на 2 составах высокопрочных бетонов на органо-минеральном модификаторе (с газообразующей добавкой на основе полигидросилоксанов и без нее). В качестве контрольного состава был взят бетон с добавкой суперпластификатора на нафталинформальдегидной основе с водовяжущим отношением, как и у бетонов на модификаторе. Контрольный образец бетона приготовлен из смеси с ОК=20 см, бетоны с модификатором – из смеси с ОК=22 см. Все образцы тяжелого бетона имели одинаковое водовяжущее отношение [вода/(цемент+модификатор)] равное 0,25, примерно одинаковое количество вяжущего (цемент+модификатор или цемент) в диапазоне 550 ÷ 580.

Методика исследований моделировала условия эксплуатации бетонов в условиях воздействия знакопеременных температур, т. е. период циклического замораживания-оттаивания сменялся периодом выдерживания бетона в нормальных условиях и в воде.

Такая методика позволила за относительно небольшой промежуток времени, получить достоверные данные по изменению физико-механических характеристик бетона при периодическом воздействии знакопеременных температур.

Составы бетонов и их свойства приведены в таблице 1.

Для приготовления бетонов использовались следующие материалы:
— портландцемент ПЦ500 Д0, соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515;
— песок природный кварцевый (Мкр=2,8), соответствующий ГОСТ 8736;
— щебень гранитный (фракции 5-20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633;
— модификатор бетона МБ 10-30С, ТУ 5743-083-46854090-98;
— нафталинформальдегидный суперпластификатор С-3, ТУ 5870-002-58042865-03;
— газообразующая добавка на основе полигидросилоксанов КЭ 30-04 (50% концентрации), ТУ 2251-035-00209013-2004.

Прочность бетона на сжатие определялась по ГОСТ 10180-90 на образцах размером 100х100х100 мм.

Модуль упругости определялся в соответствии с ГОСТ 24452-80. Испытания производились путем постепенного (ступенями) нагружения образцов-призм размером 100х100х400 мм до уровня 30% разрушающей нагрузки с измерением в процессе нагружения образцов их деформации для определения модуля упругости. Скорость ультразвука в бетоне определялась по ГОСТ 22690-88 на образцах 100х100х400 мм при помощи прибора УК-15М.

Плотность бетонов оценивалась по коэффициенту диффузионной проницаемости Dб по ГОСТ Р 52804-2007 на образцах размером 40х40х160 мм. Данный метод позволяет дать надежную оценку проницаемости высокопрочных бетонов. Метод предназначен для использования при разработке технологии и составов бетона, обеспечивающего длительную безремонтную эксплуатацию конструкций в агрессивных средах, содержащих хлориды, и основан на аналогии между диффузионным потоком вещества и электрическим током в теле бетона.

Оценивалась кинетика абсолютных линейных деформаций высокопрочных бетонов при циклическом воздействии знакопеременных температур. Исследования проводились на образцах размером 40х40х160 мм с реперами на приборе-компараторе по ГОСТ 24544-81. Образцы находились в тех же условиях, что и образцы-кубы 100х100х100 мм.

Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Графики изменения прочности, коэффициента диффузионной проницаемости и статического модуля упругости бетонов на органо-минеральном модификаторе и нафталинформальдегидном суперпластификаторе представлены соответственно на рис. 1, рис. 2, рис. 3.

Замена части цемента на органо-минеральный модификатор при постоянном водовяжущем отношении приводит к повышению подвижности бетонной смеси, повышению объема вовлеченного воздуха и, соответственно, к снижению объемной массы смеси. Введение в бетонную смесь газообразующей добавки кремнийорганической эмульсии КЭ 30-04 приводит к дополнительному газообразованию (сравним составы 2 и 3).

Все образцы бетона обладали примерно равной прочностью на сжатие (прочность кубов в диапазоне от 82,4 МПа до 93,1 МПа и по этому показателю могут быть отнесены к одному классу В70. Однако при замене части цемента на комплексный органо-минеральный модификатор наблюдается тенденция прироста прочности на сжатие кубов и призм (по сравнению с контрольным образцом).

После 37 циклов переменного замораживания и оттаивания у составов на комплексном модификаторе и с газообразующей кремнийорганической добавкой наблюдалось снижение прочности на 20-22% по сравнению контрольным составом, у которого потери прочности составили 14%.

В то же время при хранении в водных условиях бетон на комплексном модификаторе получил прирост по прочности до 15%, при хранении в нормальных условиях до 10%.

При повторных испытаниях на морозостойкость по ГОСТ 10060.2-95 у составов на комплексном модификаторе наблюдались практически такие же, как и на первой стадии эксперимента, потери прочности. У контрольного состава бетона на фенолформальдегидном суперпластификаторе наблюдалось падение прочности на 15% большее, чем на первой стадии.

Потери массы для контрольного состава бетона составили 6-7%, а для составов бетона на органо-минеральном модификаторе не более 2%. Это объясняется за счет более плотной структуры бетонов на органоминеральном модификаторе, практически полного отсутствия портландита Ca(OH)2.

Данные, полученные по ГОСТ 10060.2-95, хорошо коррелируются с данными других испытаний образцов бетона по вышеизложенной методике.

Так, скорость прохождения ультразвуковых колебаний в бетоне Vуз снижается на 7% после 37 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцов бетона на фенолформальдегидном суперпластификаторе, и на 3÷5% у бетонов на основе комплексного модификатора. На стадии восстановления скорость ультразвука достигала практически исходных значений у бетонов на модификаторе, что свидетельствует об изменениях в структуре бетона. У контрольных образцов бетона на суперпластификаторе прирост значения скорости ультразвука составил не более 2,5÷4,0%.

Важные данные получены по результатам изучения проницаемости бетонов на органо-минеральном модификаторе. Из таблиц 2 и 4 следует, что эффективный коэффициент диффузии снижается на 50÷60% при периодическом замораживании и оттаивании у исследуемых бетонов и на 150÷160% у контрольного состава бетона. Корреляция между коэффициентом диффузии ионов хлоридов и показателями водонепроницаемости дана по докторской диссертации Н. К. Розенталя и приведена в таблице 3.

Таким образом, можно сделать вывод, что структура бетонов на органоминеральном модификаторе имеет более плотный характер и восстанавливается при помещении образцов в нормальные или влажностные условия.

Также проводились исследования таких важных расчетных характеристик бетона, используемых при проектировании конструкций, как модуль упругости и призменная прочность. Результаты испытаний по вышеизложенной методике подтвердили, что параллельно полученные данные по прочности на сжатие образцов-кубов кореллируются с данными по призменной прочности. Кроме того, по результатам исследований наличие газообразующей добавки не оказывает влияния на значение модуля упругости, что подтверждается другими исследователями

Источник

ДЕЙСТВИЕ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ. ТЕМПЕРАТУР И УВЛАЖНЕНИЯ

В промышленных зданиях и сооружениях значи­тельный объем строительных конструкций при экс­плуатации подвергается воздействию атмосферных осадков, технологических проливов или увлажнению при образовании конденсата.

Стены и покрытия цехов с высокой влажностью воздуха, элементы градирен и вытяжных труб, свай­ные фундаменты в районах вечной мерзлоты, пере­крытия резервуаров и др. конструкции длительное время работают в условиях, когда они насыщены влагой. Если обеспечена защита арматуры и темпера­тура окружающего воздуха положительная, такой ре­жим не влияет на его прочностные свойства. При постоянной повышенной влажности или намокании даже уменьшается скорость карбонизации, а проч­ностные свойства возрастают со временем.

Иначе обстоит дело при переменном воздействии отрицательных и положительных температур. Бетон без увлажнения может выдерживать многочисленные циклы перехода температуры через 0° С, в то время как в насыщенном состоянии за короткий период начинается его разрушение. Это объясняется не толь­ко расширением объема воды при замерзании (при­мерно в 1,1 раза). У насыщенного водой пористого материала в крупных порах и капиллярах образуется микроскопические кристаллы льда, а незамерзшая вода мигрирует из тонких пор в более крупные и к поверхности. Миграция воды происходит из незамерз­ших участков с образованием льда в крупных порах, созданием линз льда, что приводит к возникновению значительного давления, так как при перемещении воды из замороженных областей структура бетона сопротивляется этому перемещению.

Степень повреждения бетона зависит от водона — сыщения бетона, а также от температуры замерзания, так как объем замерзшей воды увеличивается с рос­том отрицательной температуры и скорости замерза-
90—92% начинает заметно влиять льдистость. На ин­тенсивность повреждений сказывается толщина кон­струкции, характер увлажнения и обледенения. Сни­жение прочности бетона в условиях замораживания и оттаивания учитывается действующими документами [31] коэффициентом условной работы (табл. 2.11).

КОЭФФИЦИЕНТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ БЕТОНА
ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ЗАМОРАЖИВАНИИ И ОТТАИВАНИИ

Попеременное заморажива­ние и оттаивание в водона­сыщенном состоянии

Источник

Влияние переодического воздействия знакопеременных температур на структуру цеметного камня и эксплуатационные свойства высокопрочного бетона для транстпортных сооружений

В настоящее время при строительстве транспортных сооружений начинают все чаще использоваться высокопрочные бетоны. Эти бетоны, помимо высокой (55-100 МПа) прочности, обладают низкой проницаемостью, повышенной коррозионной стойкостью, долговечностью и позволяют снизить материалоемкость конструкций, а также уменьшить трудоемкость работ при укладке бетона в конструкцию за счет применения высокоподвижной бетонной смеси.

Целью работы являлось определение зависимости некоторых эксплуатационных свойств бетонов (призменной и кубиковой прочности, динамического и статического модулей упругости, диффузионной проницаемости, плотности структуры) от параметров микроструктуры цементного камня.

Поскольку свойства цементного камня предопределяются свойствами его структуры: пористостью, составом кристаллогидратов (балансом между субмикрокристаллами геля и крупными кристаллами), возникает задача исследования влияния микроструктуры цементного камня на эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов при периодическом воздействии знакопеременных температур, моделирующем циклическую смену отрицательной температуры окружающей среды, в которой находятся железобетонные конструкции, на положительные.

По результатам ранее проведенных исследований была разработана модель эксперимента, которая заключалась в сравнении динамики изменения некоторых физико-механических свойств бетонов одинаковых классов по прочности на сжатие, имеющих равный объем цементного камня, но разного состава. Сравнения проводили по таким параметрам, как морозостойкость, прочность на сжатие, призменная прочность, статический и динамический модули упругости, диффузионная проницаемость. Методика исследований моделировала условия эксплуатации бетонов в условиях воздействия знакопеременных температур, то есть. период циклического замораживания-оттаивания сменялся периодом выдерживания бетона в нормальных условиях и в воде.

Исследования велись на 2 составах высокопрочных бетонов на органо-минеральном модификаторе 20%-й дозировки (с газообразующей добавкой на основе полигидросилоксанов и без нее). В качестве контрольного состава был взят бетон с добавкой суперпластификатора на нафталинформальдегидной основе с водовяжущим отношением, как и у бетонов на модификаторе. Контрольный образец бетона приготовлен из смеси с ОК=20 см, бетоны с модификатором – из смеси с ОК=22 см. Все образцы тяжелого бетона имели одинаковое водовяжущее отношение [вода/(цемент + модификатор)] равное 0,25, примерно одинаковое количество вяжущего (цемент+модификатор или цемент) в диапазоне 550÷580.

Заформованные образцы хранились в камере нормального твердения (t=20±2 °С, W=95–98%) до достижения ими возраста 28 суток.

Методику оценки эксплуатационных свойств бетона при периодическом воздействии знакопеременных температур можно условно разбить на две стадии.

На второй стадии исследования проводилось выдерживание образцов бетона в нормальных и водных условиях – хранение образцов в воздушной среде (T= 20±2 °С, W=95–98%) или в водной среде (T= 20±2 °С, W=100%) в течение 28 суток.

Данный порядок проведения исследований на 2-й стадии эксперимента был выбран по следующим соображениям: большинство сооружений в течение процесса эксплуатации находятся частично в воде и частично на воздухе. Важно было исследовать влияние морозной деструкции при самом экстремальном воздействии на участки бетона, остающиеся на воздухе или в воде, после смены температурного режима с отрицательного на положительный (условный период «зима–лето»).

В целях определения достоверности проводимых исследований эксперимент по вышеизложенной методике проводился не в две стадии, а в четыре на одних и тех же образцах. Две последующие стадии испытаний полностью повторяли предыдущие.

Перед началом эксперимента проводились испытания образцов в возрасте 28 суток. Эти данные принимались за нулевую точку отчета. После каждой стадии эксперимента проводились испытания образцов, в количестве достаточном для статистической достоверности исследований.

В работе была поставлена задача получения высокопрочных бетонов с целью их дальнейших исследований. В соответствии с поставленной задачей выбирались вид и качество используемых материалов. Составы бетонов и их свойства приведены в таблице 1.

Для приготовления бетонов использовались следующие материалы:

— портландцемент ПЦ500 Д0 (минералогический состав, % C3S=58, C2S=19, C3A=6, C4AF=17), соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515;

— песок природный кварцевый (Мкр=2,8), соответствующий ГОСТ 8736;

— щебень гранитный (фракции 5–20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633;

— модификатор бетона МБ 10–30С, ТУ 5743-083-46854090-98;

— нафталинформальдегидный суперпластификатор С-3, ТУ 5870-002-58042865-03;

— газообразующая добавка на основе полигидросилоксанов КЭ 30-04 (50% концентрации), ТУ 2251-035-00209013-2004.

Кубиковая и призменная прочность, статический модуль упругости определялись в соответствии с требованиями ГОСТов.

Динамический модуль упругости определялся по прохождению резонансных ультразвуковых колебаний через образцы размерами 70 х 70 х 210 мм на приборе ИЧМК-3.

Плотность бетонов оценивалась по коэффициенту диффузионной проницаемости Dб по ГОСТ Р 52804-2007 на образцах размером 40 х 40 х 160 мм.

Исследования микроструктуры цементного камня проводились методами рентгеноструктурного анализа, дифференциально-термического анализа и электронной микроскопии.

Для проведения исследований из цементного теста формовались образцы цементного камня размерами 30 х 30 х 30 мм, с расходами цемента и количеством добавки аналогичными для составов бетона, использовавшихся в работе. Водовяжущее отношение было постоянным и составляло 0,2.

В возрасте 28 суток нормального твердения образцы были испытаны на прочность при сжатии и препарированы для рентгеноструктурного, дериватографического анализов и микрофотографии, а затем по наступлении 37 циклов попеременного замораживания и оттаивания и 28 суток хранения в водных условиях. Таким образом, образцы проходили первые 3 стадии эксперимента по оценке эксплуатационных свойств бетонов, подвергаемых периодическому воздействию знакопеременных температур. Составы цементного камня и результаты определения прочности на сжатие образцов при периодическом воздействии знакопеременных температур представлены в таблице 4.

Замещение части цемента на органо-минеральный модификатор при постоянном водотвердом отношении привело к увеличению подвижности бетонной смеси и объема вовлеченного воздуха, а также, соответственно, к снижению объемной массы смеси. Кроме того, введение в бетонную смесь добавки кремнийорганической эмульсии на основе полигидросилоксанов приводит к дополнительному воздухововлечению (если сравнить состав 3 с составами 1, 2).

Образцы бетона составов на органо-минеральном модификаторе (составы 2 и 3) обладали примерно равной кубиковой прочностью на сжатие, в то время как у бетона на нафталинформальдегидном суперпластификаторе, при том же количестве вяжущего прочность была меньше на ≈11%. Таким образом, по показателю прочности бетоны на модификаторе МБ 10-30С можно отнести к классу В70 согласно ГОСТ 53231-2008, а бетон на суперпластификаторе С-3 к классу В60. Аналогичные показатели зафиксированы при испытании призм размерами 100 х 100 х 400 мм.

Статический модуль упругости высокопрочных бетонов на органо-минеральном модификаторе после 28 суток нормального твердения составлял ≈46,0 ГПа. Это значительно выше (на 20%) значений статического модуля упругости для бетона на суперпластификаторе С-3 (35,8 ГПа).

Значения динамического модуля упругости высокопрочных бетонов незначительно отличались в большую сторону по сравнению со статическим модулем. В работе определялось отношение статического модуля упругости бетона к динамическому. Полученные результаты соотносятся с полученными другими исследователями, например А. Невиллем [4], в которых приводятся данные, что с повышением прочности на сжатие отношение модулей повышается до значения близкого к единице. Зависимости между Rкуб и Rпр, Един и Ест, полученные по данным результатов исследований, представлены в таблице 2.

Диффузионная проницаемость высокопрочных бетонов изменялась в более широком диапазоне. После 28 суток нормального твердения образцов бетона коэффициент диффузии бетонов на модификаторе МБ 10-30С составлял 42,8∙10-9. Повышенный более чем в 10 раз по сравнению с бетоном на МБ коэффициент диффузии у бетона на суперпластификаторе С-3 позволяет говорить о более высокой проницаемости этого бетона, что согласуется с данными по его структуре, полученными по измерению скорости прохождения ультразвука в теле бетона.

После получения исходных результатов исследований высокопрочных бетонов, подвергаемых периодическому воздействию знакопеременных температур на «нулевом этапе», были последовательно получены и обработаны данные на каждой из стадий эксперимента.

Призменная прочность бетона на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С после 37 циклов периодического замораживания и оттаивания в среднем снизилась на 22% от первоначального уровня, а бетона на органо-минеральном модификаторе с добавкой на основе полигидросилоксанов на 16%. Таким образом, подтверждается благоприятное воздействие кремнийорганической эмульсии на морозостойкость высокопрочных бетонов [5].

Результаты, полученные по испытаниям образцов-кубов на прочность при сжатии, хорошо коррелируются со значениями призменной прочности – падение кубиковой прочности на сжатие составило 20% для бетона на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С и 15% для бетона на МБ 10-30С с добавкой кремний органической эмульсии КЭ 30-04. Для контрольного состава бетона на основе нафталинформальдегидного суперпластификатора С-3 потери призменной и кубиковой прочности составляли соответственно 19 и 14%.

Снижение статического и динамического модулей упругости составило в среднем 10% для бетонов на модификаторе и бетонов с добавкой МБ и КЭ. Для бетона на С-3 статический и динамический модули понизились на 12%.

Коэффициент диффузии у бетонов на модификаторе МБ 10-30С повысился на 17%, что означает снижение плотности структуры высокопрочных бетонов в результате морозного воздействия.

После помещения образцов бетона в нормальные температурно-влажностные условия и влажную среду наблюдалось повышение эксплуатационных характеристик высокопрочных бетонов. Наиболее интенсивное восстановление свойств бетонов («самозалечивание») наблюдалось в водной среде, что согласуется с данными ряда авторов [2, 6, 7]. Прирост призменной и кубиковой прочности на сжатие для высокопрочных бетонов составил в среднем 10%, в то время как статический и динамический модули упругости повысились в среднем на 5–7%. Более высокий процент восстановления свойств наблюдался у бетонов на органо-минеральном модификаторе (на5÷7%).

Коэффициент диффузионной проницаемости понижался, что означает повышение плотности структуры бетона и может служить косвенным признаком «самозалечивания» его микротрещин. Снижение коэффициента диффузии составило в среднем 5–10% от его значений после морозной деструкции.

При повторном морозном воздействии на образцы бетона с последующим восстановлением были получены аналогичные результаты, которые подтверждают адекватность используемой модели исследования. Тем не менее была выявлена тенденция более высокого прироста эксплуатационных показателей высокопрочных бетонов на модификаторе МБ 10-30С на уровне 10–12% от его значений на этапе замораживания и оттаивания. Важно отметить, что прочностные характеристики восстанавливались практически до начального значения.

Графическая интерпретация полученных результатов приведена на рис.1, 2, 3.

Для более глубокого анализа и подтверждения на микроуровне полученных результатов параллельно с основным экспериментом проводились исследования микроструктуры цементного камня. В таблице 4 приведена информация о составе цементного камня и его прочности на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения, фазовый состав цементного камня в возрасте 28 суток нормального твердения, после прохождения 37 циклов переменного замораживания и оттаивания и 28 суток восстановления. Из приведенных в таблице результатов исследований можно сделать вывод о том, что наличие добавки модификатора МБ 10-30С в составе высокопрочных бетонов, имеющих одинаковое водовяжущее отношение и практически одинаковую прочность на сжатие, придает цементному камню пониженную степень гидратации цемента и оказывает значительное влияние на содержание гидратных фаз. Степень гидратации цемента образцов на нафталинформальдегидном суперпластификаторе С-3 составляла 80% на начальной стадии эксперимента, после 37 циклов замораживания и оттаивания – 83%, а на стадии восстановления – 87%. Данные исследования показывают высокую степень гидратации цемента и низкую реакционную способность цементного камня к дальнейшему кристаллообразованию. С другой стороны, степень гидратации цемента образцов на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С составляла ≈59% на начальной стадии эксперимента, после 37 циклов замораживания и оттаивания – ≈63%, а на стадии восстановления – 70%. Из полученных результатов видно, что у образцов цементного камня степень гидратации была ниже, что может объяснять более существенное восстановление эксплуатационных свойств высокопрочных бетонов в зрелом возрасте после морозной деструкции.

Содержание портландита Ca(OH)2 у образцов цементного камня с органо-минеральным модификатором уменьшено практически в 3 раза по сравнению с образцами на суперпластификаторе, в то время как количество низкоосновных гидросиликатов CSH(I) на стадии восстановления увеличилось в 2 раза. Структура цементного камня при этом становится более дисперсной с преобладанием мелкозернистых кристаллогидратов и гелеобразных новообразований. Результаты исследований свидетельствуют о самозалечивании микротрещин высокопрочных бетонов на модификаторе за счет низкоосновных гидросиликатов, кольматирующих микротрещины. Фотография микроструктуры цементного камня с органо-минеральным модификатором МБ 10-30С на трех стадиях эксперимента приведена на рис. 5.

Выводы

1. Эксплуатационные свойства (призменная и кубиковая прочности, статический и динамический модуль упругости, диффузионная проницаемость) высокопрочных бетонов могут восстанавливаться после периодического воздействия знакопеременных температур.

2. После повторного периодического воздействия на бетоны, подвергаемые периодическому воздействию знакопеременных температур, бетон на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С восстанавливался быстрее, причем это не зависело от наличия или отсутствия добавки на основе полигидросилоксанов – кремнийорганической эмульсии КЭ 30-04.

3. Исследования микроструктуры высокопрочных бетонов методами дифференциально-термического и рентгеноструктурного показали, что высокопрочные бетоны на основе органо-минерального модификатора МБ 10-30С в зрелом возрасте имеют степень гидратации более низкую по сравнению с традиционным тяжелым бетоном на С-3. При помещении бетона в водные (T=20 °C, W=100%) или влажные (T=20 °C, W=95–98%) условия в структуре бетона, за счет не полностью использованного ресурса гидратации, происходит восстановление структуры и, соответственно, эксплуатационных свойств бетона. Залечивание микроструктуры происходит за счет новообразований низкоосновных гидросиликатов кальция, образующихся в устье микротрещин.

Cписок литературы

1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. – М.: Стройиздат, 1998.

2. Вербецкий Г.П. Прочность и долговечность бетона в водной среде. – М.: Стройиздат, 1976.

3. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Бетоны нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами // Материалы Международной конференции “Долговечность и защита конструкций от коррозии”, Москва, 25–27 мая 1999, с.191-196.

4. Невилль А. Свойства бетона– М.: Стройиздат, 1972.

5. Шейнфельд А.В., Батудаева А.В. Морозостойкость и морозосолестойкость высокопрочных бетонов из высокоподвижных смесей. / Международная конференция «Долговечность строительных конструкций. Теория и практика защиты от коррозии». // Материалы международной конференции 7–9 октября, 2002, г. Волгоград, с.136-141.

6. C. Edvardsen. Water permeability and Autogenous Healing of Cracks in Concrete – ACI Materials Journal, 1994

7. S. Dunn. Self Healing Concrete – A Sustainable Future – Cardiff University

8. A. Hosoda & S. Komatsu. Self healing properties with various crack widths under continuous water leakage

Источник