| 16 Мая 2011
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.
Первая стадия представляла собой циклическое замораживание – периодическое замораживание и оттаивание в морозильной камере в течение 37 циклов – условный порог, соответствующий марке по морозостойкости F300 в солях по ГОСТ 10060.2-95 – испытания осуществлялись путем попеременного замораживания и оттаивания при -50 °С в 5%-м растворе хлористого натрия в морозильной камере ILKA. Выбор данного метода был обусловлен его распространенностью в практике испытаний на морозостойкость научно-исследовательскими и контрольно-ревизионными организациями России и возможностью получать результаты высокой точности за относительно небольшой промежуток времени.
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