Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




14.12.2018


14.12.2018


14.12.2018


07.12.2018


07.12.2018


07.12.2018


07.12.2018


06.12.2018


05.12.2018


05.12.2018





Яндекс.Метрика
         » » Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

31.03.2016

Шлакощелочной бетон на плотных заполнителях. Прочностные характеристики шлакощелочного бетона и их стабильность во времени обусловлены составом шлакощелочного вяжущего и видом заполнителей, силой сцепления между ними, особенностями структуры формируемого искусственного конгломерата.
Значительное влияние на изменение физико-механических свойств шлакощелочного бетона оказывает основность шлака и вид щелочного компонента (табл. 3.1).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Наибольшей прочностью при сжатии (116—128 МПа) отличается бетон на основе нейтральных шлаков и натриевых растворимых стекол после твердения в условиях тепловлажностной обработки, причем с уменьшением силикатного модуля растворимого стекла прочность увеличивается и превышает прочность бетона, твердевшего 28 сут в нормальных условиях.
Снижение плотности раствора силиката натрия от 1250 до 1100 кг/м3 (табл. 3.2) при постоянном расходе шлака обусловливает резкое уменьшение прочности до 20—45 МПа (рис. 3.1).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

При использовании карбонатных щелочных компонентов прочность бетона составляет 45—80 МПа и в значительной степени определяется видом шлака, что особенно ярко выражено для бетона естественного твердения, который в более поздние сроки продолжает интенсивно набирать прочность (см. табл. 3.1). Снижение модуля основности шлака сопровождается уменьшением прочности образцов на 10—15 МПа.
Влияние расхода шлака на физико-механические свойства бетона нельзя оценить однозначно, в отрыве от вида шлака и природы щелочного компонента, а также без учета условий твердения, причем, прочность бетона, твердевшего 28 сут в нормальных воздушно-влажных условиях, в большей степени зависит от расхода шлака, чем пропаренного (см. рис. 3.1).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

По данным Н.Н. Фирсова при расходе шлака от 300 до 600 кг на 1 м3 бетонной смеси наблюдается прямо пропорциональная зависимость между увеличением прочности шлакощелочного бетона и содержанием шлака; превышение расхода шлака сверх 600 кг не сопровождается. заметным ростом прочности (рис. 3.2). Существенное влияние на формирование структуры шлакощелочного бетона и синтез его прочности оказывает заполнитель, частично отвлекающий щелочной раствор на смачивание поверхности.
При недостатке раствора щелочного компонента бетонная смесь плохо укладывается, в результате ухудшается качество сцепления между матрицей и заполнителем, возрастает пористость и снижается прочность бетона, Влияние растворошлакового отношения (Р/Ш) на прочность шлакощелочного бетона отражено в табл. 3.3. Из анализа приведенных данных следует, что зависимость прочности шлакощелочного бетона от Р/Ш менее существенна, чем зависимость прочности портландцементного бетона от В/Ц.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Интенсивность снижения прочности при увеличении Р/Ш бетона (на основном шлаке) в зависимости от вида щелочного компонента возрастает в ряду: метасиликат натрия → дисиликат натрия → содощелочной плав → кальцинированная сода.
Использование натриевых растворимых стекол в сочетании с высокими значениями Р/Ш открывает возможность получения высокопрочного шлакощелочного бетона на основе литых смесей.
Таким образом, сопоставление результатов табл. 3.3 с учетом технологических особенностей производства бетона позволяет констатировать, что для производства высокопрочного бетона (в зависимости от вида шлака и щелочного компонента) значение Р/Ш должно быть принято в пределах 0,25—0,35.
На прочность бетона также влияют режимы тепловлажностной обработки. В отличие от цементного бетона, который при стандартных режимах TBO достигает 70 %-й марочной прочности, шлакощелочной бетон при принятых для него режимах приближается к 130 %-й марочной прочности. Поэтому для шлакощелочного бетона рекомендуются режимы TBO с более низкой температурой изотермического прогрева.
Коэффициент призменной прочности (отношение призменной прочности к кубиковой) шлакощелочного бетона выше, чем портландцементного. При этом для шлакощелочного бетона на силикатных щелочных компонентах (например, дисиликате) он составляет 0,783, а для бетона на карбонатных щелочных компонентах — 0,753. Co временем коэффициент призменной прочности увеличивается.
После тепловлажностной обработки и твердения в нормальных условиях интенсивный набор прочности шлакощелочного бетона на основе карбонатного щелочного компонента (рис. 3.3) характерен только в первые 90 сут, к 180 сут этот процесс несколько замедляется. При хранении образцов в воздушно-сухих условиях наблюдается увеличение прочности, оптимум которой достигается на 90 сут твердения.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Вследствие протекающих процессов перекристаллизации новообразований изменяется упругопластическое состояние бетона, приводящее к некоторому снижению прочности в возрасте 180 сут. В дальнейшем, на 270—360 сут, отмечается рост прочности образцов за счет равномерного перераспределения внутренних напряжений в формирующейся структуре искусственного камня.
Из сопоставления прочностных характеристик бетона, твердеющего в различных условиях, следует, что температурно-влажностный режим хранения образцов после пропаривания обусловливает не только интенсивность нарастания прочности, но и характер процессов структурообразования.
Нормальные условия твердения шлакощелочного бетона по данным в первые 28 сут, по аналогии с цементным бетоном, не только предпочтительны, но и необходимы для получения материалов со стабильными физико-механическими характеристиками. Так, при твердении бетона в нормальных условиях отмечается его упрочнение в течение всего периода наблюдения (см. рис. 3.3, рис. 3.4).
Характер изменения кривых нарастания прочности во времени бетона на основе натриевых растворимых стекол в значительной степени определяется основностью шлака и силикатным модулем щелочного компонента (рис. 3.5, 3.6).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

При твердении образцов на основе дисиликата натрия и шлаков различной основности отмечается их упрочнение в течение всего периода исследования (см. рис. 3.5), причем, при использовании кислого шлака стабилизация прочности наступает после 90 сут твердения; нейтрального — в интервале 90—180 сут (на 360 сут отмечен некоторый рост прочности с последующей стабилизацией до 720 сут); основного — после 360 сут твердения.
Применение в качестве щелочного компонента бетонной смеси метасиликата натрия при условии использования в качестве алюмосиликатного основного и кислого шлаков приводит к получению искусственного камня, отличающегося постоянным ростом прочности во времени; образцы на нейтральном шлаке характеризуются уменьшением прочности на 360 сут твердения, однако к 720 сут ее значение несколько выравнивается и становится сопоставимым с прочностью на 180 сут.
Функциональная зависимость между прочностью бетона (на гранитном заполнителе) и активностью шлакощелочного вяжущего (по аналогии с портландцеметным бетоном) позволяет стабилизировать его физико-механические характеристики во времени (а следовательно, и повысить долговечность) за счет направленного синтеза гидратных новообразований и управления интенсивностью процессов их формирования.
Многочисленными исследованиями подтверждена возможность стабилизации прочностных характеристик шлакощелочного бетона в ранние сроки за счет введения добавок, интенсифицирующих образование низкоосновных гидросиликатов кальция (например, портландцемента), и в более поздние — добавок, предопределяющих синтез щелочных гидроалюмосиликатов (например, цеолитовых пород).
А.Г. Гелеверой показано, что с увеличением основности шлака количество добавки портландцементного клинкера, необходимой для стабилизации его прочностных характеристик, должно снижаться. Оптимальная доля добавки для основного шлака составляет 1—2, для нейтрального — 2—3, для кислого — 3—4 %. Это позволяет на шлаках разной основности получать образцы с сопоставимыми прочностными характеристиками (см. рис. 3.4—3.6). Кроме того, введение оптимального количества добавки портландцементного клинкера (в зависимости от основности шлака) дает возможность частично или полностью отказаться от тепловлажностной обработки.
Шлакощелочной бетон на дисперсных заполнителях. Характерная особенность этого бетона — использование в качестве мелкого заполнителя песков и грунтов в виде супесей и легких суглинков. Формирование жесткого каркаса искусственного конгломерата из названных частиц, отличающихся высокой дисперсностью, при условии соблюдения оптимальных режимов приготовления и уплотнения бетонных смесей, гарантирует высокие физико-механические свойства материала, не уступающие свойствам конструкционного бетона.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Данные табл. 3.4 подтверждают тезис о том, что повышенной прочностью отличается бетон, заполнители в котором представлены смесью мелко-и крупно дисперсных грунтов, уложенных при оптимальной (для данного гранулометрического состава смеси) амплитуде колебаний вибрационной установки.
С увеличением расхода вяжущего уменьшается влияние дисперсности заполнителей на прочность шлакощелочного бетона (рис. 3.7, 3.8), которая, как и бетона на портландцементе, зависит от марки шлакощелочного цемента, его расхода, вида заполнителя, растворошлакового отношения, метода укладки смеси и т. п.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

При проведении сравнительных испытаний бетонов на различных вяжущих (портландцемент марки 500, шлакощелочной цемент на растворимых стеклах с Mc = 1; 1,6, едком натре и соде) и дисперсных заполнителях (супесь, лесс) было установлено, что прочность при сжатии бетона на портландцементе состава 1:3 после пропаривания по режиму 3 + 7 + 2 значительно ниже прочности бетона на шлакощелочном вяжущем (табл. 3.5).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Экспериментальные работы (табл. 3.6) свидетельствуют о целесообразности использования мелкозернистых кварцевых песков с Мкр = 0,7/1,2 в бетоне на шлакощелочном цементе. Для сравнения в табл. 3.6 приведены результаты испытания бетона на портландцементе. Прирост прочности шлакощелочного бетона только за счет увеличения расхода шлака от 410 до 680 кг при использовании метасиликата натрия и поташа составил соответственно 282 и 390 %. В то же время портландцементный бетон даже средней прочности на заполнителях подобного гранулометрического состава с применением традиционных технологических режимов получить невозможно.
Введение в бетонную смесь более крупного заполнителя (фракции 5—10 мм) позволяет получить материал более высокой прочности при меньшем расходе шлака и щелочного компонента (табл. 3.7).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Регулирование прочностных и других физико-механических свойств шлакощелочного бетона, в отличие от портландцементного, возможно также за счет изменения: плотности раствора щелочного компонента. В частности, увеличение плотности раствора метасиликата натрия от 1200 до 1250 кг/м3 обеспечивает прирост прочности бетона на 25—31 %, при этом наблюдается улучшение удобоукладываемости свежеприготовленных бетонных смесей при их выдерживании до укладки в формы.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Анализ изменения прочностных характеристик мелкозернистого шлакощелочного бетона во времени позволяет отметить, что интенсивность нарастания прочности в значительной степени определяется видом щелочного компонента и основностью шлака (рис. 3.9, 3.10). Наиболее значительное увеличение прочности в течение 28 сут наблюдается для образцов на основном шлаке, на кислом и нейтральном шлаках интенсивный набор прочности проявляется в течение 90—180 сут, при дальнейшем твердении (от 1 до 4 лет) прочность образцов на шлаках различной основности возрастает не более чем на 10—13 %.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Повышению прочности бетона на мелкозернистых заполнителях способствуют специальные технологические приемы, такие как повторное вибрирование, «сухое» бетонирование, вибропрессфильтрационное формование. Так, прочность шлакощелочного бетона, отформованного методом «сухого» бетонирования, достигает 200 МПа. При этом высушенные шлак и заполнители должны быть взяты в соотношении, обеспечивающем высокую степень уплотнения.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Шлакощелочной бетон на заполнителях из горелых пород. Высокие адгезионные свойства шлакощелочного вяжущего позволяют использовать в качестве заполнителей шлакощелочного бетона различные некондиционные материалы, например горелые породы. Как видно из табл. 3.8, наиболее прочные образцы бетона получены на заполнителях из железистых алевролитов и аргиллитов (59,5 МПа) и глинистых сланцев и аргиллитов (48 МПа) фракции 2,5—5 мм. Заполнители из железистых алевролитов и аргиллитов более плотные и прочные, имеют значительно меньше структурных дефектов и поэтому изменение их гранулометрического состава в меньшей мере сказывается на изменении жесткости смеси и прочности бетона.
Так, замена заполнителя фракции 2,5—5 мм заполнителем фракции 5—10 мм независимо от вида породы уменьшает прочность бетона на 10%, в то время как введение заполнителя фракции 10—20 мм обусловливает значительно большее снижение прочности (на 30—40 %).
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Зависимость прочности бетона от размеров и содержания зерен заполнителя из горелых пород легко объяснить с позиций физико-химической механики, в соответствии с которыми при дроблении горелой породы разрушение происходит по ослабленным зонам (слоям спайности, микротрещинам, крупным порам), вследствие чего песок из горелой породы отличается от щебня большей прочностью и однородностью.
Для шлакощелочного бетона класса B10 и ниже можно использовать заполнитель из горелых пород фракции 10—20 мм. Однако для бетона более высоких классов при умеренном расходе вяжущего крупность заполнителя не должна превышать 10 мм.
При исследовании изменения жесткости и прочности в зависимости от состава бетонной смеси (рис. 3.11, а) соотношение заполнителя фракций 2,5—10 и 0—2,5 мм сохранялось равным 2:1. Постоянным оставался расход раствора содощелочного плава (280 л/м3) и метасиликата натрия (240 л/м3). Установлено, что увеличение содержания шлака повышает жесткость бетонной смеси, которая также определяется пористостью заполнителей и толщиной растворной прослойки. Зависимость прочности бетона на заполнителях из глинистых сланцев и аргиллитов от расхода шлака может быть выражена кривой гиперболического вида, экстремум которой для железистых алевролитов и аргиллитов соответствует 35 %-му содержанию шлака. Весьма существенный (на 70—80 %) рост прочности бетона наблюдается при увеличении содержания молотого шлака от 10 до 25 % и незначительный — при возрастании доли шлака до 40 %.
Повышение прочности бетона при увеличении содержания вяжущего до 25 % можно объяснить значительно большей прочностью растворной части бетона по сравнению с прочностью заполнителя. Вяжущего оказывается достаточно не только для того, чтобы покрыть тонкой пленкой поверхность заполнителя, но также и для замоноличивания его каверн, микротрещин и других дефектов структуры.
Эффективность вяжущего как фактора прочности при его расходе свыше 25 % снижается, так как прочность растворной части практически перестает расти.
С точки зрения максимального использования несущей способности заполнителей из горелой породы и вяжущего оптимален расход вяжущего от 20 до 30 % по массе. При этом можно в значительных пределах изменять прочностные показатели бетона. Кроме того, важный фактор прочности бетонов на заполнителе из горелых пород — плотность раствора щелочного компонента.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Из данных, приведенных на рис. 3.11, б, следует, что при повышении концентрации раствора щелочного компонента от 1100 до 1350 кг/м3 наблюдается увеличение жесткости бетонной смеси и прочности бетона. Вид применяемых заполнителей мало влияет на изменение жесткости бетонной смеси при повышении плотности раствора щелочного компонента.
Наибольшая прочность при сжатии (42 МПа) бетона с заполнителями из глинистых сланцев и аргиллитов отмечается при плотности раствора содощелочного плава 1275 кг/м3, а бетона с заполнителями из железистых алевролитов и аргиллитов (110 МПа) — при применении раствора метасиликата натрия плотностью 1300 кг/м3. Для практических целей наиболее приемлемы концентрации рассматриваемых щелочных компонентов 1100—1250 кг/м3, позволяющие изготовлять высокопрочные бетонные смеси на заполнителе из горелых пород. При изменении плотности щелочного компонента р в этих пределах наблюдается близкое к линейному приращение прочности бетона, которое может быть выражено уравнением вида Rm = 1,52ρ—52,5 в случае применения заполнителей из железистой породы и метасиликата наттрия и Rm = 0,58ρ—20,1 — глинистой породы и содощелочного плава.
При изучении влияния отношения Р/Ш на жесткость бетонной смеси и прочность бетона состав сухих компонентов смеси оставался постоянным, равным 1:3 (шлак : заполнитель фракции 0—10 мм), а изменялся расход раствора щелочного компонента. Как и следовало ожидать, жесткость бетонной смеси при увеличении Р/Ш в пределах от 0,35 до 0,7 снижается (рис. 3.11, в). Разные значения жесткости бетонной смеси при одинаковых значениях Р/Ш объясняются различной пористостью применяемых заполнителей. Можно предположить, что специфические особенности пористых заполнителей, связанные, в первую очередь, с отдачей или всасыванием влаги как сразу после формования, так и после некоторого выдерживания, играют существенную роль в формировании прочности такого бетона. Максимумы прочности (рис. 3.11, в) свидетельствуют об оптимальных для конкретных составов расходах раствора щелочного компонента.
Пористые заполнители выступают, по-видимому, регуляторами влажностного режима процессов структурообразования микрообъема контактной зоны. В начальный период твердения заполнитель поглощает избыток воды, что, по представлениям М.З. Симонова, ведет к самовакуумированию и, как следствие, к самоуплотнению оболочки зоны контакта. Относительно низкие прочностные показатели бетонов из смесей с небольшими значениями Р/Ш (0,35—0,4) обусловлены, главным образом, недостаточной степенью уплотнения бетонной смеси в процессе формования.
Наряду со способностью взаимодействия с глинистыми веществами и другими минералами горных пород отличительная черта шлакощелочных цементов, по сравнению с портланд- и шлакопортландцементом, — значительно большая удельная поверхность новообразований, способных связать дисперсный заполнитель в камнеподобное тело. Эти особенности чрезвычайно важно учитывать при определении количества пылевидных частиц в бетоне. Для исследования влияния содержания пылевидной фракции в заполнителе на изменение жесткости бетонной смеси и прочности бетона в состав заполнителя вводили 0—30% этой фракции; без изменения оставалось Р/Ш, равное 0,6 для раствора содощелочного плава, и 0,55 — для раствора метасиликата натрия. Как видно из рис. 3.11, г, жесткость бетонной смеси зависит от массовой доли пылевидной фракции в заполнителе и возрастает от 10 до 75 с при увеличении ее го доли от 0 до 30%. Анализ зависимости прочности бетона от количества пылевидной фракции показал, что максимальные значения прочности (31,5 и 64 МПа) наблюдаются при введении 5 % пылевидной фракции в состав заполнителя. Увеличение массовой доли пылевидной фракции сверх 10 % ведет к снижению прочности бетона. Таким образом, для принятых составов допустимо включение до 5 % по массе пылевидной фракции.
Шлакощелочные бетоны на пористых заполнителях. Отсутствие пропорциональности между прочностью формируемой структуры и прочностью растворной части (рис. 3.12), обусловленное высокими адгезионными свойствами вяжущего и низкими прочностными характеристиками заполнителей, приводит к перераспределению напряжений в структурных элементах бетона.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии

Наиболее прочный бетон получен на доменном гранулированном шлаке, наименее — на керамзите, однако последний отличается минимальной средней плотностью ρm (табл. 3.9). Применение шлакощелочных вяжущих открывает широкие возможности получения легких конструкционных материалов, причем для их изготовления возможно использование как кондиционных, так и некондиционных низкопрочных пористых заполнителей (рис. 3.13). Это объясняется активным взаимодействием вяжущего с поверхностью заполнителя, особенностями возникающей контактной зоны и прочностью оболочки, обжимающей пористый заполнитель.
Регулирование состава легких бетонов за счет введения различных пористых заполнителей, характеристики которых усиливают изотропию свойств материала, способствует повышению однородности структуры и получению долговечного искусственного камня.
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии
Прочность шлакощелочного бетона при сжатии