Меню

Влияние давления и температуры на прочность цементного камня

Влияние давления и температуры на прочность цементного камня

Экспериментально установлено положительное влияние избыточного давления окружающей среды на свойства бетона, твердеющего при нормальной температуре и в условиях тепловой обработки. Повышенное давление среды позволяет интенсифицировать твердение бетона, сократить продолжительность прогрева, уменьшить расход цемента, повысить физико-механические свойства бетона и железобетона [1,2]. Механизм благотворного воздействия избыточного давления среды на свойства бетона вряд ли связан с какими-либо более совершенными кристаллизационными процессами [2,3], поскольку не подтверждается опытными данными [4]. Контракционная усадка цементного геля и избыточное давление среды — эти два явления и определяют, по всей видимости, повышенные свойства затвердевшего цементного камня и бетона. На эту сторону вопроса обращала внимание Л. А.Малинина [5], отмечавшая, что «внешнее давление способствует уменьшению внутреннего напряженного состояния твердеющего бетона. Совпадая по направлению своего воздействия на бетон с направлением усилий, сопровождающих контракцию, оно способствует, очевидно, улучшению структуры твердеющего раствора и бетона. Косвенным подтверждением такого предположения является больший прирост прочности, полученный при твердении под давлением для «жирного» раствора. по сравнению с более тощим».

Стадийный характер электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой приводит к циклическому самоуплотнению цементных зерен под действием развивающегося в межзерновом пространстве вакуума, экспериментально обнаруженного в середине прошлого столетия [6). Т.е. «движущей силой» структурообразования цементного камня является вакуум, образующийся в цементной системе в результате периодического потребления молекул воды клинкерными минералами. При этом очевидно, что чем выше разность давлений в межзерновых пустотах формирующегося микробетона и окружающей средой, тем интенсивнее протекает самоуплотнение частиц, улучшается качество их контактных зон, повышаются свойства микробетона и бетона в целом. Таким образом, одним из основных моментов положительного воздействия избыточного давления окружающей среды на физико-механические свойства бетона является создание благоприятных условий для самоуплотнения (стяжения) частиц вяжущего, формирования и упрочнения структуры цементного камня (микробетона) [7].

Отсюда вполне закономерен вопрос: а как будет протекать гид- ратационное твердение портландцемента при пониженном давлении (вакууме) окружающей среды? Если рассматривать процесс с «кристаллизационных» позиций, то это- оптимальные условия для структурообразования цементного камня (улучшается растворимость цементных минералов, образуется малодефектный кристаллический каркас и пр.). Если же «движущей силой» формирования и становления микробетона является развивающийся в межзерновых пустотах вакуум, то при пониженном давлении среды структура цементного камня может либо вообще не образовываться, либо иметь более низкие показатели, по сравнению с твердением в обычных условиях.

Экспериментальных работ по изучению характера твердения и свойств бетона, длительное время выдерживаемого в условиях вакуума, нами не обнаружено. Известные работы [8,9] касаются использования вакуумной обработки бетонных смесей с помощью специального оборудования (вакуум-щи- тов, вакуум-ковров и др.) на формовочной стадии, что, конечно же, не может моделировать процесс твердения цементной системы в среде пониженного давления. В связи с этим были выполнены специальные опыты по уточнению продолжительного влияния вакуума окружающей среды на твердение и свойства цементного камня.

Опыты проведены на цементном тесте с В/Ц=0,26 и 0,3 (новороссийский портландцемент). Приготовленное стандартным методом цементное тесто укладывали в формы образцов-кубиков с ребром 2 см, тщательно уплотняли, поверхность образцов заглаживали и плотно закрывали металлической пластиной. Часть образцов твердела в естественных условиях, часть — была помещена под колпак вакуумной установки. С помощью компрессора из-под колпака откачивали воздух до предельно достижимого разряжения (около 0,094 ат) и выдерживали формы с твердеющими образцами. Для компенсации неизбежного подсоса воздуха под колпак установки компрессор в течение всего периода испытаний работал непрерывно. Твердеющие образцы сообщались с окружающей средой через неплотности разъемов форм. После 7 сут твердения образцов в условиях вакуума компрессор отключали, и через сутки (к этому времени под колпаком восстанавливалось атмосферное давление) производилось раскрытие форм, визуальное обследование и испытание образцов. Часть их в дальнейшем выдерживали в плотной полиэтиленовой упаковке (для предотвращения пересушивания) и испытывали в 28-суточном возрасте.

Внешний осмотр показал значительное отличие образцов, твердевших в атмосферной среде, от таковых, выдержанных в условиях вакуума. Во-первых, поверхность образцов, твердевших при обычном давлении, была ниже верхней плоскости форм, что свидетельствовало о явной усадке; это явление отсутствовало в образцах, твердевших в условиях вакуума. Во-вторых, образцы заметно отличались внешним видом: обычно твердевший цементный камень имел более темный цвет, по сравнению с камнем, твердевшем в вакуумной среде, что косвенно указывало на существенное отличие средней плотности этих образцов. В-третьих, все образцы имели четкие геометрические размеры; в то же время в некоторых ребрах твердевших в вакууме образцов (в местах сообщения с окружающей средой) имелось по 2.. .4 микротрещины шириной до 0,1 мм и длиной 2. 3 мм вследствие неизбежного разуплотнения материала при снижении давления под колпаком установки.

Размеры образцов определяли штангенциркулем, массу-с помощью рычажных лабораторных весов, объемную усадку и среднюю плотность рассчитывали обычными методами. Прочность при сжатии определяли при помощи пресса ПСУ-10. Физико-механические свойства цементного камня, твердевшего в естественной среде и в условиях вакуума, представлены в таблице.

Читайте также:  Давление в системе кондиционера рено меган 2

Как видно из результатов испытаний, цементный камень, твердевший в атмосферных условиях, характеризуется значительной усадкой, более высокими плотностью и прочностью по сравнению с аналогичными показателями камня, твердевшего в вакуумной среде. Разумеется, что определенную деструктивную роль сыграл вышеуказанный «разуплотняющий фактор» — в процессе снижения давления среды из массы цементного теста выдавливался защемленный воздух, нарушая структуру материала, ухудшая его конечные свойства. В то же время столь значительное снижение плотности и прочности (соответственно, 9. 12 и 30.. .50%) вряд ли связано только лишь с указанным негативным фактором.

Циклический характер электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой приводит к появлению в межзерновых пустотах формирующегося микробетона вакуума, который не в состоянии в полной мере проявить свои «структурообразующие возможности» в условиях пониженного давления окружающей среды. Следовательно, немаловажным (а может быть, даже и определяющим) фактором в данном случае является отсутствие необходимых условий для качественного стяжения, усадки цементной системы, становления микробетона с необходимыми структурой и свойствами.

Полученные данные имеют определенное практическое значение. Так, например, без предварительных исследований сложно дать однозначный ответ на вопрос о целесообразности производства бетонных работ в высокогорных районах с пониженным атмосферным давлением. Может быть, в данном случае экономически более выгодно доставлять в эти районы уже готовые бетонные и железобетонные конструкции, изготовленные в обычных, нормальных атмосферных условиях.

«Движущей силой» формирования и упрочнения структуры цементного камня является развивающийся в цементной системе вакуум, вызванный стадийным характером электрохимической гидратации цементных минералов, периодическим потреблением молекул воды зернами вяжущего.

Избыточное давление окружающей среды положительно сказывается на свойствах цементного камня и бетона, поскольку создает благоприятные условия самоуплотняющимся цементным частицам, обеспечивает получение качественных контактных зон микробетона.

Твердение бетона в условиях пониженного давления (вакуума) приводит к ухудшению его свойств ввиду отсутствия необходимых условий для «стяжения» цементной системы, формирования требуемых структуры и свойств микробетона.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Механическая прочность — цементный камень

Механическая прочность цементного камня является важнейшей характеристикой и оценивается пределом прочности при сжатии, изгибе и растяжении. Существующие ГОСТ 10178 — 76 и 310 — 76 регламентируют испытание цементов и определение их свойств. [1]

Механическая прочность цементного камня зависит от факторов, основными из которых являются химико-минеральный состав цемента, В / Ц, удельная поверхность цемента, наличие наполнителей и химических добавок, условия твердения и др. Существенное влияние на прочность цементного камня оказывает также температура и давление. [2]

Механическая прочность цементного камня характеризуется временным сопротивлением сжатию, растяжению или изгибу. С этой целью изготовленные определенной формы образцы цементного камня испытывают на прочность, причем определяют напряжение, соответствующе разрушению образца. [3]

Механическая прочность цементного камня зависит от факторов, основными из которых являются химико-минеральный состав цемента, В / Ц, удельная поверхность цемента, наличие наполнителей и химических добавок, условия твердения и др. Существенное влияние на прочность цементного камня оказывает также температура и давление. [4]

Механическую прочность цементного камня определяют, испытывая его образцы на разрыв, изгиб и сжатие. [5]

Нормировать механическую прочность цементного камня очень сложно. Мнения зарубежных и советских исследователей по этому вопросу противоречивы. [6]

Для повышения механической прочности цементного камня и снижения его проницаемости рекомендуются следующие мероприятия: снижение водоцеменгного отношения ( частично можно достигнуть введением водосвязывающих добавок в небольших количествах, например, глинопорошка); без изменения водоцемент-ного отношения введение активных кремнеземистых материалов при температурах до 100 С и кварцевого песка при температурах свыше 100 С и высоком давлении. [7]

Данные изменения механической прочности цементного камня из новороссийского портландцемента с добавками хлоридов кальция, натрия и калия, твердевшего в пресной воде при температуре 22 и 75 С, приведены на рис. 17.1. Начальная ( 2-суточная) прочность при изгибе образцов как без добавок, так и с добавками, твердевших при 22 С ( см. рис. 17.1 в), находится в пределах 2 8 — 4 МПа. Отмечается резкий рост прочности при изгибе у образцов из портландцемента без добавок до 240 сут хранения ( см. рис. 17.1 в, кривая /); она остается стабильной до конца исследования. [9]

Из результатов испытаний механической прочности цементного камня из шлакопесчанобаритовых смесей ( см. рис. 16.9) видно, что прочность образцов всех составов в начальный период твердения ( через 2 сут) находится в пределах 1 8 — 4 5 МПа при сжатии. Прочность при изгибе образцов составов I и II растет до 225-суточного срока автоклавирования ( см. рис. 16.9, кривые I, II), к концу исследования она незначительно снижается. [11]

Читайте также:  Энап что будет если выпить при пониженном давлении

При температуре 110 С механическая прочность цементного камня с увеличением срока твердения возрастает, но темп роста и абсолютные значения прочности понижены. Давление практически не оказывает влияния на изменение механической прочности портландцементного камня. [12]

Установлено, что на механическую прочность цементного камня влияет не только количество, но и природа кремнеземистой добавки. Лучшие результаты получены с добавками молотого кварцевого песка, худшие — с добавкой аморфно-дисперсного кремнезема. При известных условиях автоклавной обработки на каждый процент трехкальциевого силиката Сз5 портландцемента следует вводить до 1 5 % молотого песка. Показано, что в процессе автоклавного твердения цементного камня связывается кварца значительно больше, чем необходимо для полного взаимодействия Са ( ОН) 2, и даже несколько больше количества, необходимого для перевода высокоосновных гидросиликатов в однокальциевый гидросиликат. Этот вывод доказывает возможность и целесообразность введения повышенных количеств кварцевого песка в тампонажные портландцемента. [13]

Увеличение содержания СаС12 вызывает повышение механической прочности цементного камня и сокращает сроки схватывания цементного раствора. [14]

Сроки схватывания тампонажных растворов и механическую прочность цементного камня определяют на основании методик, приведенных в настоящей главе. [15]

Источник

Термостойкость бетона

Температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации, что положительно влияет на рост прочности бетона. Резкое ускорение процессов твердения бетонов наступает при температурах 70-95С, и особенно при 170-20С. Однако при недостатке воды в бетоне воздействие повышенных температур замедляет процесс гидратации, снижает прочность бетонов. При полном испарении воды процесс твердения прекращается. Положительное влияние повышенных температур на скорость твердения бетонов послужило основой разработки и широкого применения в технологии железобетонных конструкций тепловлажностной обработки. Бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и др. При температурах более 100С тепловлажностную обработку ведут в автоклавах и специальных герметичных формах.
Для получения долговечного бетона важно свести к минимуму его деформации при температурном воздействии.
Остаточные деформации имеют место при недостаточном предварительном выдерживании бетона до тепловой обработки, повышенной скорости подъема температуры и ее снижения после отключения подачи пара.
Опасность возникновения трещин при развитии температурных напряжений повышается при обработке изделий большой толщины сплошного сечения или из ячеистых бетонов с повышенным водосодержанием.
Возникновение термических напряжений в бетоне возможно не только при его нагреве от внешних источников тепла, но и в результате саморазогрева за счет экзотермии при твердении. Трещинообразование в массивном бетоне носит обычно термический характер.
Тепловыделение, или экзотермия, бетона является следствием гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Анализ тепловыделения (калориметрический анализ бетона) является одним из наиболее объективных высокоинформативных методов исследования, широко используемый при исследовании кинетики процессов твердения цемента, оценке влияния его химико-минералогических и структурных особенностей, эффекта химических добавок, параметров порообразования, льдообразования и др. Обстоятельные исследования применения калориметрического анализа (в различных направлениях) выполнены О.П. Мчедло-вым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком.
Имеется положительный опыт использования калориметрических данных в компьютерных системах и информационных технологиях бетона.
Экспериментальное определение тепловыделения бетонов производится в калориметрах термосного, адиабатического или изотермического типов. Наиболее широкое распространение получили простые по устройству термосные калориметры, недостатком которых является переменный и по существу случайный температурный режим твердения образцов бетона. Для пересчета получаемых данных на изотермический режим твердения разработана расчетная методика установления т.н. эквивалентных сроков, т.е. таких сроков, в которые бетон при постоянной температуре твердения 20°С будет показывать те же величины тепловыделения, какие наблюдаются при проведении опыта в термосном калориметре. Установленная таким путем зависимость изотермического тепловыделения от времени твердения является основной характеристикой бетона для расчета температурных полей в массивных бетонных конструкциях.
В адиабатических калориметрах повышение температуры адекватно температуре в средней части крупных бетонных массивов, однако они сложны по устройству и редко используются на практике. Наиболее предпочтительными являются калориметры изотермического типа, позволяющие поддерживать температуру бетона в процессе измерения тепловыделения на постоянном уровне.
Для приближенной расчетной оценки тепловыделения бетона предложены зависимости, учитывающие удельное тепловыделение цемента, параметры состава бетона, температуру и длительность твердения.
Наиболее удобна для расчетного определения тепловыделения бетона зависимость, учитывающая удельное тепловыделение цемента.

Интенсивные деструктивные процессы при нагревании бетона идут при температуре более 200°С .

Нагрев в интервале 200-400°С приводит к постепенному снижению прочности цементного камня и бетона из-за дегидратации в основном гидроалюминатов, а также распада и перекристаллизации гидросульфоалюминатов кальция. При нагревании свыше 300°С нарушается структура цементного камня и бетона в результате различия деформаций гид-ратных продуктов цементного камня и непрогидратированых зерен цемента.
При 500-600°С идёт разложение гидратных новообразований и дегидратация Са(ОН)2 — продукта гидролиза клинкерных минералов, преимущественно трехкальциевого силиката, что способствует дальнейшему снижению прочности цементного камня.
В интервале 600-700°С возможно модификационное превращение р — 2СаО*SiO2 в у — 2СаО*SiO2, сопровождаемое некоторым увеличением объёма. Портландцементные образцы, прогретые до температуры 600-800°С, полностью разрушаются после выдерживания их в воздушно-сухих условиях в основном в результате вторичной гидратации оксида кальция. При непрерывном нагревании ДО 1200°С прочность цементного камня составляет 35-40% прочности контрольных образцов. При этом развивается значительная усадка — до 1 % и более.
Установление основной причины разрушения цементного камня — гидратации, образующегося при нагреве оксида кальция -позволило разработать основной способ придания ему жароупорных свойств. Этот способ заключается во введении в цемент или бетонные смеси тонкомолотых минеральных добавок, которые химически связывают СаО, не образуют с минералами цемента легкоплавких веществ, являются устойчивыми к воздействию высоких температур и уменьшают усадку цементного камня при нагревании.
Портландцемент по жаростойкости значительно уступает шлакопортландцементу, образующему при гидратации значительно меньшее количество Са(ОН)2. При достаточной величине остаточной прочности на сжатие бетона после нагревания до 800°С и использовании шлакопортландцемента отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок.
Специфическим видом разрушения бетона при тепловом воздействии является разрушение под воздействием огня в условиях пожара. Под влиянием высокотемпературного пламени снижается несущая способность бетонных и железобетонных конструкций, а через определённое время под действием огня возможно их разрушение. Снижение прочности бетона в условиях пожара происходит в результате развития внутренних напряжений вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения цементного камня и заполнителей. При температуре выше 500°С снижение прочности бетона под воздействием огня усиливается разложением гидроксида кальция и полиморфным превращением b-кварца в а-кварц.
Огнестойкость бетона, также, как и огнестойкость других строи-тельныхматериалов, характеризуется пределом огнестойкости — продолжительностью сопротивления воздействию огня до потери им прочности. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время, в течение которого они сохраняют несущие и ограждающие функции в условиях пожара. Потеря конструкцией несущей способности сопровождается ее внезапным либо очень быстрым обрушением. Ограждающая способность конструкций теряется, когда температура необогреваемой поверхности в среднем возрастает на 160°С и в смежных помещениях возможно самовоспламенение материалов. При этом в конструкциях образуются сквозные трещины, через которые проникают продукты горения и пламя.
Предел огнестойкости определяется испытанием образцов в специальной камере, где тепловой режим поддерживают по стандартной кривой температура-время.
Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций составляет 2-5 ч. Его повышают, увеличивая толщину бетонного слоя и подбирая соответствующий состав бетона.
Способность бетона противостоять, не разрушаясь, совместному действию напряжений от механической эксплуатационной нагрузки и термических напряжений при определенном числе циклов нагрева и охлаждения либо при температурном градиенте называют термостойкостью. Требования к термостойкости бетона и железобетонных конструкций зависят от их назначения, конкретных условий эксплуатации. Так, термостойкие агрегаты должны сохранять проектную прочность в течение всего нормативного срока эксплуатации, железобетонные колонны в зданиях 1-ой степени огнестойкости при пожаре не должны разрушаться ранее 2,5 ч, покрытие пола горячих цехов должно выдерживать попеременный нагрев и остывание при действии ударных нагрузок.
Существенное значение имеет вид заполнителя. Одним из важнейших факторов, влияющих на термическое расширение и термостойкость бетона, является его влажность. Равновесная влажность тяжелого бетона зависит от проницаемости бетона, степени гидратации и вида вяжущего, относительной влажности и температуры окружающей среды. Например, для тяжелого бетона на портландцементе с В/Ц=0,5 при 1=20°С равновесная влажность колеблется от 0,5 до 6,8% при изменении относительной влажности от 0,15 до 0,95. При интенсивном тепловом воздействии разрушению в большей степени подвергаются поверхностные слои бетона в изделиях и конструкциях с наибольшим градиентом влажности. Давление пара в бетоне в значительной степени зависит от скорости нагрева, проницаемости и начальной влажности. Наибольшее давление пара от теплового воздействия наблюдается при заполнении водой 70-80% порового пространства. Термостойкость бетона увеличивается с уменьшением размера крупного заполнителя, при тщательном приготовлении бетонной смеси и уходе за бетоном при его твердении с целью получения структуры с наименьшим количеством и минимальными по длине трещинами.
Величина коэффициента расширения и термостойкость уменьшаются с возрастом бетона. Большей термостойкостью будет обладать бетон с меньшими значениями модуля упругости, большей теплопроводностью. Важное значение имеет также различие температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Термостойкость бетона можно увеличить дисперсным армированием температуростойкими волокнами из асбеста, базальта или стальных фибр, конструктивным армированием, применением заполнителей из андезита, базальта, диабаза и других материалов, обеспечивающих минимальное различие температурных деформаций отдельных компонентов.

Читайте также:  Нормальное давление воды в системе водоснабжения

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

  • Цена с доставкой в Троицке (как и везде) складывается как стоимость на самовывоз бетона в троицке + цена доставки.
  • Подробные детали про бетон м200 (класс, стоимость, свойства, круг применения и месторасположение производств)
  • Все данные о бетоне м 350 (стоимость, показатели, сфера использования и пункты отгрузки)

Источник

Adblock
detector