О подобии структур морозостойких бетонов

УДК 666.97

, докт. техн. наук, проф., , докт. техн. наук, проф. (Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Украина).

О ПОДОБИИ СТРУКТУР МОРОЗОСТОЙКИХ БЕТОНОВ

Морозостойкость бетона определяется многими факторами, характеризующими его структуру, состав, технологию производства и условия эксплуатации. К настоящему времени признано, что структура морозостойкого бетона отличается, прежде всего, рациональным соотношением объемов условно-замкнутых пор, заполненных газовой фазой и, открытых пор, насыщаемых водой. Важное значение имеет также "фактор расстояния", показывающий распределение условно-замкнутых пор в цементном камне. Наиболее благоприятные значения "фактора расстояния" характерны при эмульгировании воздуха в бетонной смеси добавками ПАВ.

Структурным критерием морозостойкости можно принять т. н. "компенсационный фактор":

(1)

где Vк - контракционный объем; Vо. п - объем открытых, насыщаемых водой пор; Vэ. в- объем эмульгированного вовлеченного воздуха; Vо. п - объем открытых пор.

Учитывая, что приращение объема при переходе воды в лед составляет примерно 9%, условие отсутствия ощутимых деструктивных изменений при замораживании и оттаивании:

(2)

Усредненное расчетное значение контракционного объема в % можно найти по формуле:

(3)

где Ц - расход цемента, кг/м3; a - степень гидратации цемента.

Расчетный объем открытых капиллярных пор, включая поры недоуплотнения в % [1,2]:

(4)

где Ку - коэффициент уплотнения бетонной смеси.

Предложены [1-3] формулы для нахождения контракционного объема и объема открытых пор несколько отличающиеся от (3,4) численными значениями коэффициентов. Применительно к Vк это объясняется расхождениями в значениях удельных объемов негидратированного и гидратированного цемента, принятых при вычислениях. Объем открытых пор Vо. п предлагается находить как с вычетом, так и без вычета объема гелевых пор [1-3]. Использование различных формул сказывается на абсолютных значениях Fк, что корректируется изменением коэффициентов критериальных уравнений, связывающих значения фактора Fк и критического числа циклов замораживания и оттаивания F.

С учетом выражений (3,4) расчетная формула Fк принимает вид:

(5)

Для расчета Fк необходимо знание степени гидратации цемента. Справочные данные a, используемые иногда для расчета пористости недостаточны. Эмпирические зависимости для определения a основаны на связи ее с прочностью цементного камня или активностью цемента [1,2]. Указанные зависимости, однако не позволяют оценить степень гидратации цемента в бетоне с учетом, как особенностей применяемого цемента, так и В/Ц бетонной смеси. Исходя из ряда теоретических предпосылок нами предложено расчетное выражение степени гидратации, учитывающее прочность бетона в 28 сут. (Rсж), коэффициент изменения ее во времени Кt, отношение В/Ц бетона к нормальной густоте (Кн. г) цемента:

(6)

где

Параметр Х с помощью коэффициента n, справочные значения которого приведены в работе [1], учитывает особенности структуры бетона на различных заполнителях.

В табл.1 приведены расчетные и экспериментальные значения a в бетонах классов В15, В22,5 и В35 при использовании портландцемента Здолбуновского цементного завода с Кн. г=0,24 и n=0,68. Экспериментальные значения a определяли с помощью рентгеноструктурного анализа.

Таблица 1

Значения степени гидратации цемента в бетонах

Возраст образцов	Предел прочности бетона при сжатии, МПа	Расчетные значения, a	Экспериментальные значения, a
7	15	0,5	0,48
24	0,55	0,53
29	0,56	0,57
28	22	0,56	0,58
31	0,62	0,67
41	0,64	0,69
180	30	0,63	0,68
46	0,69	0,73
55	0,7	0,77

На рис.1 приведены экспериментальные данные Л. И Дворкина [1,2], , и [3] о критическом числе циклов замораживания и оттаивания F в зависимости от Fк. Переход от критерия Кмрз предложенного и [3], к Fк проводили по формуле:

(7)

где 4 – переводной усредненный коэффициент, учитывающий различия в используемых формулах пористости.

Усредненную линию регресии (рис.1) можно выразить уравнением прямой:

(8)

Регрессионную связь критического числа циклов замораживания и оттаивания F и фактора Fк можно аппроксимировать уравнением показательной функции:

(9)

где a и b - коэффициенты, которые должны зависеть в основном от особенностей исходных материалов и методики испытания. На использованных типовых для тяжелого цементного бетона материалах коэффициенты a и b равны соответственно 1,6 и 2,3.

В табл. 2 приведены значения расчетного критического числа циклов замораживания и оттаивания F, соответствующие значения lg F и параметра Fк.

Таблица 2

Значения F, lg F и Fк

F	lg(F)	Fк по данным [1]	Fкпо данным [3]	Fк по усредненным данным
100	2	0,2	0,18	0,17
200	2,3	0,34	0,26	0,3
300	2,5	0,44	0,31	0,38
400	2,6	0,52	0,36	0,43
500	2,7	0,6	0,41	0,48
600	2,8	0,66	0,44	0,51

Из уравнения (9) следует условие пропорциональности:

(10)

При а1=а2 и b1=b2, т. е. при постоянных исходных материалах:

, (11)

где .

Для уточнения коэффициентов a и b достаточно выполнить испытание на морозостойкость бетона двух составов.

В общем случае правило подобия структур морозостойких бетонов запишется простым условием:

(12)

Правило подобия структур морозостойких бетонов позволяет, как прогнозировать критическое число циклов F при известных составах бетона, так и в совокупности с другими количественными зависимостями (для прочности бетона, его водопотребности и др.) проектировать состав бетона с заданной морозостойкостью.

Список использованной литературы

1. , Дворкин составов бетона с заданными свойствами. Ровно, Изд-во РДТУ, 1999.

2. Дворкин проектирование составов бетона. Львов: Вища школа, 1981.

3. , Добшиц бетоны высокой морозостойкости. Ленинград: Стройиздат, 1989.