Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Современные взгляды на трещиностойкость бетонов и строительных растворов 9
1.2. Методы оценки трещиностоикости цементных композитов 32
1.3. Выводы и задачи исследований 48
2. Характеристика материалов и методы исследований 50
2.1. Характеристика материалов, принятых в исследованиях 50
2.1.1. Цемент 50
2.1.2. Заполнитель 50
2.1.3. Микронаполнители и модифицирующие добавки 51
2.2. Метод лабораторных испытаний 51
2.2.1. Обоснование выбора метода лабораторных испытаний 51
2.2.2. Описание экспериментальной установки, достоинства используемого метода и способ определения изучаемых параметров 58
3. Исследование влияния видов вяжущего, микронаполнителей и модифицирующих добавок на трещиностойкость цементного камня 67
3.1. Определение оптимального вяжущего вещества для создания ТКП 67
3.2. Влияние водоцементного отношения на трещиностойкость цементного камня 68
3.3. Зависимость трещиностоикости цементного камня от введения микронаполнителей и добавок 73
3.3.1. Микронаполнители 73
3.3.2. Микронаполнители в присутствии пластификатора 73
3.3.3. Хлориды, сульфаты, фториды и хроматы 76
3.3.4. Нерастворимые оксиды d-металлов 82
3.3.5. Гидроксиды 82
3.3.6. Сульфоалюминат кальция 86
3.3.7. Органические добавки 87
3.3.7. Общий анализ влияния всех использованных добавок на исследуемые свойства цементных композитов 88
3.4. Теоретические предпосылки увеличения трещиностоикости ТКП при использовании исследованных микронаполнителей и добавок 93
3.5. Выводы 106
4. Проектирование тонкослойных композиционных покрытий с высокой трещиностоикостью на примере разработки состава сухой смеси для устройства полов 108
4.1. Общие сведения о наливных полах 108
4.2. Материалы, используемые в сухих смесях для устройства полов 109
4.3. Разработка состава сухой строительной смеси для устройства полов 114
4.3.1. Оптимизация состава «пола» по микронаполнителю 114
4.3.2. Оптимизация состава «пола» по пластификатору 114
4.3.3. Оптимизация состава «пола» по водоудерживающей добавке. 117
4.3.4. Повышение трещиностойкости тонкослойных композиционных покрытий для устройства полов введением дополнительных модифицирующих добавок 117
Общие выводы по работе 123
Список литературы 125
Приложения 134
- Современные взгляды на трещиностойкость бетонов и строительных растворов
- Описание экспериментальной установки, достоинства используемого метода и способ определения изучаемых параметров
- Общий анализ влияния всех использованных добавок на исследуемые свойства цементных композитов
- Повышение трещиностойкости тонкослойных композиционных покрытий для устройства полов введением дополнительных модифицирующих добавок
Современные взгляды на трещиностойкость бетонов и строительных растворов
Эксплуатация зданий и сооружений, их внутренняя отделка и особенно внешний вид фасадов, во многом зависит от стойкости отделочных материалов. Появление трещин, не только портит внешний вид отделки, но, являясь очагами разрушения, снижает долговечность несущих конструкций. По трещинам проникают вода, агрессивные газы и жидкости. Нарушение монолитности защитного слоя ускоряет старение здания.
Широко используемые в современном строительстве тонкослойные композиционные покрытия (ТКП) - штукатурные, шпаклевочные, гидроизоляционные, клеящие, кладочные, литые и самонивелирующиеся растворы - имеют ряд отличительных особенностей:
- они работают в условиях эксплуатации в «тонком» слое. В этих покрытиях толщина слоя несоизмеримо мала по сравнению с площадью покрываемой основы. Конструктивно тонкослойность материала можно выразить через отношение покрываемой площади к объему раствора. Это соотношение находится в пределах от 50 до 5000. Чем больше это отношение, тем меньше толщина растворного слоя и тем больше покрываемая площадь;
- их необходимо наносить равномерными тонкими слоями без специального механического уплотнения по пористому основанию - кирпичу, бетону и т.п., часто уже имеющему поверхностные трещины;
- вопросы их удобоукладываемости и трещиностойкости взаимосвязаны между собой непосредственно и противоречиво; они имеют опреде ляющее значение в трещиностойкости тонкослойных композиционных покрытий.
Известно, что строительный раствор на основе минерального вяжущего - материал сравнительно хрупкий и плохо переносит деформации, и трещины в нем появляются в тех местах, где напряжения превышают набранную материалом прочность на растяжение.
Некоторые трещины имеют очевидное происхождение. Например, трещины, образовавшиеся в результате растяжения, перпендикулярные направлению действовавшего усилия, трещины сжатия, направленные вдоль усилия, и трещины, вызванные усадкой материала. Образование усадочных трещин - хорошо известное явление, проявляющееся при нанесении составов полов, штукатурок и других цементных покрытий. Происхождение других трещин определить затруднительно в силу многочисленных причин.
В работе Р. Лермита [32] рассмотрены многие проблемы технологии приготовления растворов и бетонов с точки зрения влияния различных факторов на их трещиностойкость. В основу обеспечения оптимального зернового состава растворной смеси нужно положить не достижение высокой прочности на сжатие, а соображения иного рода.
С одной стороны, необходим некоторый избыток воды. Это, прежде всего, улучшает удобоукладываемость растворной и бетонной смесей, т. е. их способность легко укладываться на основание. Избыток воды в смеси способен обезвредить всякую случайную погрешность в составе, вызванную неравномерностью распределения компонентов, и снизить трение наносимого композиционного материала об основание. Опыт показывает, что при этом несколько снижается средняя прочность раствора, и уменьшаются отклонения от ее значения. С другой стороны, избыток воды затворения увеличивает риск появления усадочных трещин в растворе. Смесь раствора или бетона является материалом, обладающим внутренним трением, под влиянием вибрации это трение исчезает. Вибрация имеет своим результатом превращение смеси в жидкость. В этом состоянии разжижения она приобретает способность легко заполнять формы и выделять содержащийся в ней воздух. Это уплотнение побуждает отдельные зерна перемещаться из своих начальных положений в некоторые более устойчивые положения. Выделение воздуха должно следовать закону фильтрации - для объема в целом оно приблизительно пропорционально квадрату отношения свободной поверхности к объему материала. Энергия, израсходованная на выделение воздуха, пропорциональна энергии, переданной через соответствующий объем раствора или бетона.
Показателем устойчивости структуры, уплотнения и однородности растворной или бетонной смеси служит текучесть. Отдельные зерна смеси стремятся распределиться сообразно крупности, поскольку при наибольшей величине отношения объема к поверхности они испытывают наименьшее сопротивление перемещению в вязкой среде. Целесообразно попытаться составить такую смесь, которая, обладая малым коэффициентом трения, допускала бы быстрое введение в действие капиллярного сцепления. Решение следует искать в мелкозернистых фракциях зернового состава, оно достигается добавкой тонких минеральных пылевидных материалов в растворную смесь.
Связность материала обусловлена капиллярным натяжением содержащейся в нем воды. Этой водой заполняется множество каналов в бетоне, причем каждый из них замыкается поверхностью равновесия вода - воздух, на которую действуют силы поверхностного натяжения. Совокупность этих поверхностей образует оболочку, непрерывно обволакивающую весь заключенный внутри нее материал и создающую в нем связность, пропорциональную поверхностному натяжению. Если вода имеется в из бытке, поверхностное натяжение получается слабым, а связность бетонной смеси ничтожно малой. Под влиянием поверхностных натяжений, которые уже не будут находиться в равновесии, произойдет новое распределение воды, а именно, часть ее подвергнется всасыванию из областей; сравнительно более увлажненных, в области более обезвоженные. При этом оставшейся воды может не хватить для того, чтобы обеспечить гидратацию цемента в изделии.
Существуют силы, которые стремятся сблизить частицы растворной смеси между собой - это силы Ван дер Ваальса, с другой стороны, имеются силы электростатические, оказывающие противодействие силам притяжения. При этом раствор подвергается усадке, которая вызывает растягивающие напряжения внутри скелета заполнителей и при достаточной величине этого растяжения образует трещины и отделяет цементный камень от зерен заполнителя.
Показано, что вся техника активизации растворов сводится к физико-химическому или механическому вмешательству в процесс коагуляции с целью воздействия на его интенсивность. Раствор должен быть жидким, пока он находится в движении, и твердым - в покое. Техническими приемами его нужно сделать тиксотропним. Этого можно достигнуть химическим и механическим (например, использование вибрации, повторного перемешивания) путями.
Химический путь - использование пластификатора, способного уменьшить взаимное притяжение зерен и содействовать выделению воздуха из растворной смеси. Поглощение молекул пластификатора поверхностями твердых частиц заполнителя приводит к смазке этих поверхностей. При этом наблюдается снижение внутреннего трения и сцепления компонентов растворной смеси с одновременной интенсификацией водоотделе-ния. Роль пенообразующей добавки заключается в образовании множества воздушных пузырьков почти сферической формы в растворе или бетоне. Присутствие в смеси мельчайших пузырьков воздуха позволит обладать растворной смеси связностью (сцеплением), непроницаемостью и обнаружит легкое набухание, производя слабое давление на окружающие его твердые зерна заполнителей. Этого давления достаточно для компенсации усадки в процессе твердения раствора. Пузырьки воздуха сообщают смеси улучшенную удобоукладываемость, а в затвердевшем состоянии - повышенную водонепроницаемость и морозостойкость [16, 17, 18, 30]. Пузырьки воздуха малого диаметра, обладающие поверхностным натяжением, не вступая в заметные химические взаимодействия с цементом, обеспечивают устойчивость растворной смеси. Фактически воздух вовлекается раствором при перемешивании и, прежде всего, зернами песка размерами 0,2 - 1 мм. Если содержание в песке более мелких фракций увеличится, то объем вовлеченного воздуха уменьшается. Наблюдается что, известняковые пески благодаря пористости и поверхностным свойствам вовлекают меньше воздуха, чем кварцевые. В связи с этим следует ограничивать относительную долю мелкозернистого песка с верхней границей 0,4 мм. Увеличение дозировки цемента снижает объем вовлеченного воздуха. Лучшие результаты получаются при содержании воздуха около 4 % от объема смеси.
Описание экспериментальной установки, достоинства используемого метода и способ определения изучаемых параметров
Лабораторными образцами в выбр анном методе проведения исследований являются кольца из композита на цементной основе. Они изготавливались с использованием полностью разборных форм (патент №31752) [85]. Геометрические размеры колец при этом могут варьироваться. Конструкция формы для изготовления образцов-колец и сами образцы приведены на рис.2.1.
Толщина образцов-колец выбрана неслучайно (10 мм). Обычно рабочий слой ТКП составляет от 1-2 мм до 50 мм. Наиболее часто используются ТКП толщиной 5-15 мм. Образцы-кольца, изготовленные из растворных смесей заданной подвижности (250 мм по вискозиметру Суттарда) оставались в формах на 8 часов и хранились при t=+20C, относительной влажности 65%, аспирации воздуха 0 м/с (в шкафу). Через 8 часов формы полностью распалубливались. После этого образцы в количестве 4 штук на одно испытание продолжали твердеть в таких же условиях (t=+20C, относительной влажности 65%, аспирации воздуха 0 м/с) в течение 14 суток.
В возрасте 3, 7, 10 и 14 суток с помощью штангенциркуля (ц.д. - 0,05 мм) производились замеры наружного диаметра каждого образца — кольца в 4-х местах (с шагом 45), с целью определения кинетики их усадки. Окончательно, усадка в 14 суток, определялась по формуле:
di - внутренний диаметр обоймы формы для изготовления образцов;
d2 - наружный диаметр образца в 14 суток средний для 4-х измеренных значений.
В возрасте 14 суток с помощью лабораторной установки, приведенной на рис.2.2, измерялась прочность образцов-колец при растяжении. Возраст проведения этих испытаний был выбран по результатам натурных испытаний, которые показали, что риск появления усадочных трещин на поверхности ТКП наиболее велик в течение двух недель после укладки.
Лабораторная установка для измерения прочности образцов-колец при растяжении [86] (рис.2.2) представляет собой воздушную сферическую камеру фиксированной податливости с прикрепленным к ней манометром и насосом. Камера помещается внутрь испытуемого образца-кольца, центрируется, после чего в нее накачивается воздух с постоянной скоростью. Наполняясь, камера начинает изнутри растягивать опытный образец.
Манометр (класс точности 0,4) фиксирует давление внутри камеры. Испытания заканчивались при разрушении опытного образца с фиксацией показания манометра - величины разрушающего давления в камере.
В результате такой схемы испытания материал образца находится в обобщенном плоском напряженном состоянии, анализ которого можно проводить на основе общего решения задачи Ламе. Здесь, интересующие нас окружные напряжения (растяжения) являются основными по величине по отношению к радиальным и осевым напряжениям.
Для оценки влияния последних были проведены специальные испытания образцов с внутренними диаметрами - 140, 160 и 180 мм, с разной толщиной стенки - 5, 10 и 15 мм и высотой стенки - 6, 12, 17, 25 и 50 мм, при этом со смазкой камеры под образцом и без смазки. Результаты испытаний подтвердили, что осевые напряжения снимаются смазкой между камерой и образцом, а радиальные оказывают влияние не более 5% в «толстых» образцах с толщиной стенки 15 мм. Влияние радиальных напряжений тем меньше, чем меньше толщина образца. Известно, что при соблюдении условия тонкостенности - KR/10 — радиальными напряжениями можно пренебречь.
При обработке результатов испытания образцов-колец при действии окружного (растягивающего) напряжения ар возможно с достаточной точностью использовать выражение:
В заключение описания метода исследований отметим его достоинства:
- отсутствие концентраций напряжений в местах приложения нагрузки;
- простота и доступность испытаний, не требующая дорогих испытательных машин и лабораторных условий;
- равномерность приложения нагрузки по «большой базе» образца: длина рабочей поверхности растворного кольца составляет 565 мм;
- более высокая стабильность результатов испытаний, меньшее их рассеяние по сравнению с существующими методами;
- простота измерения усадки, которая является одной из главных причин появления трещин в ТКП;
- возможность получения на одном и том же растворном образце величин следующих параметров: растягивающего напряжения, относительной усадки, водоцементного отношения и относительного водопоглоще-ния, функционально взаимосвязанных между собой;
- возможность исследования тонкослойных цементных покрытий в зависимости от их толщины: 5, 10 и 15 мм;
- достаточно точное соответствие результатов, полученных этим методом, и результатов, полученных ранее известными методами (испытание образцов-балок на сжатие и изгиб, измерение усадки балок, испытание об-разцов-«восьмерок» на растяжение прибором Михаэлиса);
- точное соответствие результатов лабораторных опытов и опытно-промышленных испытаний ТКП.
Таким образом, измеряются все необходимые параметры для оценки трещиностойкости ТКП.
В литературе имеются многочисленные данные о способах оценки трещиностойкости бетонов с использованием ряда относительных вели чин, а также непосредственными методами. Например, трещиностойкость с помощью различных коэффициентов предлагали оценивать в своих работах Г.И. Горчаков [16, 18], И.Д. Запорожец [25], П.Г. Комохов [28, 29, 30], Р. Лермит [32], С.Д. Окороков [25], Л.П. Орентлихер [17, 18], А.А. Парижский [25], Пельтье [17], Т.М. Петрова [17], О.С. Попова [17], А.В. Саталкин [17], Б.Г. Скрамтаев [63], А.Е. Шейкин [91, 92] и др.
В результате анализа экспериментальных данных, который будет приведен в следующей главе, мы пришли к необходимости введения параметра оценки трещиностойкости ТКП. Таким параметром, адекватно отражающим свойство ТКП сопротивляться возникновению усадочных трещин, является, по нашему мнению, отношение прочности образцов - колец при растяжении к их относительной усадке.
Верность выбранного критерия подтверждена нами экспериментально сравнением полученных данных с данными о водопоглощении испытанных составов (косвенный метод оценки) и данными натурных испытаний (рис.2.3).
Очевидно, что ценным свойством ТКП будет высокая трещиностойкость при высокой их прочности на растяжение ар, т.к. составы, медленно набирающие прочность, не могут быть эффективно использованы на практике.
Необходимость введения нового параметра наглядно иллюстрирует рис.2.3. На нем приведены результаты предварительных опытов.
Общий анализ влияния всех использованных добавок на исследуемые свойства цементных композитов
Заключительным этапом исследования влияния микронаполнителей и модифицирующих добавок на свойства цементных образцов-колец стал общий анализ всего массива полученных данных опытов. В результате этого анализа был установлен характер зависимостей характеристик образцов от В/Ц (рис.3.14).
Из рис.3.14 видно, что оптимальное В/Ц для образцов-колец составляет 0,30 - 0,32. Меньшее В/Ц влечет за собой снижение степени гидратации клинкерных минералов (особенно C2S), и, как следствие, увеличение относительной усадки и снижение прочности композита при растяжении. Большее водоцементное отношение очень сильно повышает пористость раствора, которую не удается компенсировать ростом кристаллов первичного эттрингита, что приводит к росту относительной усадки. К тому же высокопористая структура материала снижает его прочность при растяжении. Таким образом, значительное отклонение В/Ц от значений 0,30-0,32 приводит к снижению трещиностойкости образцов-колец. Мы полагаем, что для ТКП эти зависимости носят аналогичный характер, что и для цементных образцов. Поэтому очень важно для обеспечения гарантированно высокой трещиностойкости ТКП выбрать оптимальное В/Ц. Подвижность ТКП при этом надо регулировать пластифицирующими добавками.
Большая часть исследованных добавок и микронаполнителей, повышающих трещиностойкость ТКП, являются труднорастворимыми минеральными веществами. Мы полагаем, что они могут влиять на процесс гидратации цемента за счет наличия на поверхности частиц различного типа активных центров (основных и кислотных центров адсорбции Бренстеда и Льюиса). Исходя из представлений о том, что в вяжущей системе с первого акта взаимодействия с водой реализуется донорно-акцепторная система связей, выражающаяся в диссоциативной адсорбции молекул воды на активных центрах, можно предположить, что при воздействии на свойства поверхностных активных центров осуществляется управление процессом гидратации. В соответствии с классификацией И.Н. Степановой [67] на поверхности клинкерных минералов имеются первичные (термические и примесные) активные центры и вторичные - на поверхности образующихся гидратных фаз.
По особенностям природы различают активные центры:
- кислотные а-центры Льюиса, имеющие акцепторы-орбитали, способные к принятию донорной электронной пары;
- бренстедовские (3-центры, способные к отщеплению протона;
- основные а -центры Льюиса, способные быть донорами электронной пары;
- бренстедовские (3 -центры, способные к отщеплению ОН-группы;
- электронодефецитные п+-центры;
- электронодонорные п"-центры. Положив в основу эту классификацию, можно сделать вывод о возможности влияния на активность поверхности с учетом природы как центров, так и вводимых веществ.
Из технологии гетерогенного катализа известно, что многие реакции в растворах ускоряются в присутствии ионов водорода и гидроксид - ионов.
В литературе существует множество определений понятий «кислота» и «основание», данных Аррениусом, Франклином, Бренстедом, Германом, Льюисом, Джонсоном, Люксом, Томлинсоном, Пирсоном и другими.
Наиболее распространенными и используемыми являются представления Бренстеда, Лоири и Льюиса. Согласно определениям, предложенным Бренстедом и Лоири, кислота - это вещество являющееся донором протонов, а основание - вещество, являющееся акцептором протонов.
Повышение трещиностойкости тонкослойных композиционных покрытий для устройства полов введением дополнительных модифицирующих добавок
Дальнейшее проектирование рецепта «пола» проводилось путем введения в оптимизированные составы (3.3 и 3.6) добавок, которые улучшают трещиностойкость цементных композитов по данным третьей главы диссертации и по данным литературных источников. Результаты этих испытаний сведены в таблицу 4.4. Так как для большинства составов полов, приведенных в таблице 4, выполняется необходимое условие трещиностойкости (Т 1, а 1,25), определенное лабораторными испытаниями, почти все они могут быть рекомендованы для заливки полов. Исключением является: базовый состав, модифицированный малым количеством РПП (состав 4.1); составы с добавкой NaF (составы 4.12 и 4.13).
Следует отметить, что применение добавок, исследованных в 3-ей главе диссертации (Mg(OH)2, Fe203, BaS04, Denka CSA) позволяет уменьшить, а в ряде случаев - полностью исключить, введение в состав «пола» дорогостоящих импортных добавок (фибра, РГШ DLP 2050).
Учитывая требования надежности обеспечения трещиностойкости составов и экономическую целесообразность их применения, рекомендуется для устройства полов использовать запроектированные составы 4.16, 4.17 и 4.19. Их подробные рецептуры приведены в таблице 4.5.
Отметим, что разработанные составы являются более экономичными по сравнению с применяемыми ранее. При этом их физико-механические характеристики не ухудшились. Сравнительные характеристики составов приведены в таблице 4.6.
Основные результаты работы использованы при производстве сухих строительных смесей ООО «Ажио» для устройства полов промышленных и гражданских зданий. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 3,68 млн. руб. в год, что подтверждено актом внедрения (см. приложение 2).
. Впервые подтверждена достоверность нового метода исследования таких свойств ТКП как прочность при растяжении, относительная усадка и трещиностойкость, которая состоит в совпадении результатов лабораторных и промышленных испытаний
Показано, что трещиностойкость ТКП определяется как прочностью при растяжении, так и относительной усадкой; критерием оценки трещиностойкости ТКП при этом является их отношение, а условием тре щиностойкости — Т 1, при ар 1,25 МПа
Установлено влияние на трещиностойкость ТКП таких факторов как вид цемента, В/Ц, введение различных добавок, которое состоит в следующем:
- активность цемента должна быть высокой, но при этом набор прочности композитом не должен отставать от развития усадочных деформаций;
- значительный рост В/Ц, как и слишком малое его значение снижает трещиностойкость ТКП;
- введение ряда добавок увеличивает трещиностойкость ТКП; рекомендуется использовать граншлак, гранит, Fe203, Mg(OH)2, BaS04;
Показано, что традиционно используемые в технологии бетона до бавки-ускорители (например хлорид кальция) снижают трещиностойкость ТКП; когда необходимо получить высокую раннюю прочность ТКП по данным исследования рекомендуется применять NaF в количестве 0,5% от массы цемента
Предложен механизм управления трещиностойкостью ТКП, состоящий в каталитическом действии ряда труднорастворимых веществ с высокой интенсивностью активных центров поверхности (граншлак, гранит, Fe203, Mg(OH)2, BaS04)
Экспериментальные исследования свойств ТКП показали, что введение в их состав сульфоалюмината кальция повышает трещиностойкость; это объясняется повышенной прочностью при растяжении за счет армирующего эффекта фаз новообразований
На основании данных диссертационного исследования спроектированы и внедрены в промышленное производство экономичные и трещино-стойкие составы.
