Влияние кривой просеивания песка на пористость и морозостойкость бетона

РЕФЕРАТ. В статье* приведены результаты исследований пористости и морозостойкости бетонов на основе цементов CEM I 32,5 R и CEM III/A 32,5 N. При этом варьировались содержание песка в бетоне и доля в песке зерен размером до 0,125 мм. Установлено влияние кривой просеивания на пористость, особенно при варьировании содержания в песке самых мелких частиц, увеличение доли которых приводило к повышению пористости, а в случае бетонов с цементом CEM I — также морозостойкости. Различия относительного динамического модуля упругости и степени повреждений исследованных бетонов с цементом CEM III, имеющих разную пористость, обнаружить не удалось. Вероятно, это связано с тем, что их пористость в принципе была слишком низкой.

Ключевые слова: бетон, пористость, морозостойкость, кривая просеивания.

Keywords: concrete, porosity, freeze-thaw resistance, particle-size distribution curve.

1. Введение

В ходе проведенного ранее исследования морозостойкости бетонов с заполнителями, имеющими различные кривые просеивания, по методу капиллярного всасывания, внутреннего разрушения и замораживания—оттаивания (Capillary Suction, Internal Damage and Freeze—Thaw test, CIF) [1] были выявлены существенные различия данного параметра. При этом динамический модуль упругости бетонов с одинаковым содержанием песка снижался в ходе испытаний на морозостойкость по-разному. Первые результаты позволили предположить, что различия в кривых просеивания, определяемых для песков фракции 0—2 мм с невысокой точностью, приводят к различиям в порис­тости свежего бетона и, таким образом, к разной морозостойкости. Поэтому нужно было выяснить, влияет ли вид кривой просеивания песка непосред­ственно на порис­тость, и как небольшие изменения последней влияют на морозостойкость.

2. Проведение экспериментов

2.1. Исходный материал

Эксперименты проводились с использованием двух типов цемента (CEM I 32,5 R и CEM III/A 32,5 N), а также золы-уноса; варьи­ровались содержание песка и вид кривой просеивания. При варьировании содержания песка изменялось содержание в нем зерен размером до 4 мм, но при этом доля самых тонких частиц (до 0,125 мм) была постоянной (рис. 1). Чтобы варьировать кривую просеивания в области самых мелких частиц, изменяли содержание зерен размером до 0,125 мм (рис. 2). Обозначения А 32, В 32, С 32 на рис. 1 и 2 относятся к стандартным кривым, характеризующим гранулометрический состав бетона с максимальным размером зерна заполнителя, равным 32 мм, в соответствии с немецким стандартом DIN 1045-2, относящимся к чис­лу национальных спецификаций европейского стандарта DIN-EN 206-1. Эти кривые используются для сравнения с расчетными кривыми гранулометрического состава бетонов, которые обозначены S-1, F-1 и т. д. и могут быть пунктирными на одних участках и сплошными на других.


Рис. 1. Варьирование содержания песка в бетоне (варьирование кривой просеивания первым способом) 


Рис. 2. Варьирование содержания наиболее тонких частиц (варьирование кривой просеивания вторым способом)

Всего изготовили 16 смесей (см. таб­лицу). Содержание цемента в них составляло 280 кг/м3, золы-уноса — 50 кг/м3, воды — 165 л/м3, эквивалентное водоцементное отношение w/(z+0,4f) равно 0,55. Данное соотношение, используемое в соответствии со стандартом DIN EN 206–1/DIN 1045– 2, отражает тот факт, что в цемент можно ввести до 40 % золы-уноса (f). Обозначения имеют следующую структуру: первый символ указывает тип цемента (I — CEM I, III — CEM III); второй — способ варьирования кривой просеивания при изготовлении бетона (S — варьирование содержания пес­ка, F — варьирование доли самой мелкой фракции); третий символ определяет сравнительную степень крупности заполнителя (1 — тонкий, 4 — грубый). Например, I-S-4 обозначает состав с цементом CEM I и наи­более грубой кривой рассева заполнителя за счет варьирования содержания песка.


Было решено полностью отказаться от добавок, так как они могут дополнительно повлиять на пористость свежего бетона. Одно­временно нужно было избегать существенных различий консистенции, так как она тоже влия­ет на пористость. В качестве крупного заполнителя использовался кварцитовый материал.

2.2. Проведение экспериментов

Смеси были приготовлены в смесителе принудительного действия (объем 120 л). Пористость свежих бетонов измеряли двумя способами:

1) по методу выравнивания давления DIN EN 12350-7:2009-08, в 8-литровом воздухомере;

2) при помощи прибора Roll-a-Meter — этот способ измерения пористости свежего бетона является стандартным в США.

Затем для выбранных составов был проведен комплекс испытаний на устойчивость к циклам замораживания-оттаивания по методу CIF. В ходе данного испытания водонасыщенность бетона растет сначала вследствие капиллярного всасывания при постоянной температуре, а затем в ходе циклического замораживания—оттаивания. Внутренние повреждения оцениваются помимо отшелушивания по скорости прохождения ультразвука через образец. Испытание по методу CIF проведено в соответствии с рекомендация­ми Федерального управления гидротехнических сооружений (Bundesanstalt für Wasserbau, BAW) «Кон­троль морозостойкости бетона» [2].

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Определение значений пористости

Измеренные значения пористости бетонных смесей приведены на рис. 3. Видно, что результаты измерений двумя способами различны.


Рис. 3. Значения пористости при варьировании кривой просеивания первым (а) и вторым (б) способами, измеренные с помощью воздухомера и прибора Roll-a-Meter

Результаты измерений с помощью прибора Roll-a-Meter значительно отличаются от результатов, полученных с помощью воздухомера. Корреляции между измеренными значениями найти не удалось. Так как в Европе Roll-a-Meter на практике используется только в случаях применения микропористых заполнителей округлой формы, а итог измерений сильно зависит от некоторых условий эксперимента, результаты, полученные на данном приборе, в дальнейшем не учитывались.

В результатах, полученных с помощью воздухомера, заметна зависимость между содержанием фракций песка и пористостью бетона. Это также показано в работе [3] — увеличение содержания мелких фракций приводило к увеличению пористости бетона.

При варьировании содержания самой мелкой фракции (с размером зерен до 0,25 мм) оказалось, что при наибольшем содержании тонких частиц имеет место максимальная пористость бетона. Чем ниже их содержание, тем она меньше. Еще в 1988 году были проведены эксперименты с каменной мукой, чтобы установить ее влияние на распределение размеров пор [4]. Результаты этих исследований показали, что добавление значительного количества муки ведет к увеличению максимального радиуса пор. В работе [5] при исследовании самоуплотняющихся бетонов была получена очень высокая пористость бетона (около 4 %) без применения порообразующих добавок. Это было объяснено повышенным содержанием каменной муки в бетоне. Исследования, проведенные сотрудниками Института строительных исследований в Ахене, подтвердили эти выводы.

При варьировании содержания песка максимальная пористость также имеет место при наиболее мелком фракционном составе. Однако значения пористости для трех составов, имеющих более грубый фракционный состав песка, различаются незначительно. Таким образом, можно предположить, что когда размеры зерен песка выходят за определенные пределы тонкости, вид кривых просеивания перестает влиять на пористость бетона. В то же время варьирование содержания самых мелких частиц (варьирование кривой просеивания вторым способом), очевидно, происходит в тех пределах, в которых пористость в значительной степени зависит от дисперсности.

3.2. Определение морозостойкости по методу CIF

На основании результатов определения пористости были выбраны шесть смесей, для которых предстояло определить морозостойкость по методу CIF.

Смесь I-S-1 была выбрана из-за своей максимальной пористости, измеренной с помощью воздухомера. Состав I-S-4 был выбран вследствие минимальной пористости. Состав I-S-2 имеет примерно такую же пористость, как и состав I-S-4. Для сравнения с I-S-2 был выбран состав I-F-2, имеющий похожую кривую рассева. Из составов с цементом CEM III были выбраны III-F-1 и III-F-4, имеющие различную пористость. На рис. 4—6 приведены относительный динамический модуль упругости, водопоглощение и потери массы с единицы площади поверхности, определяемые путем шелушения последней с образованием отколов. Согласно критерию BAW (рис. 4 и 5), допус­каются снижение динамического модуля упругости до 75 % его первоначального значения и потери массы из-за отшелушивания до 1000 г/м2.


Рис. 4. Относительный динамический модуль упругости выбранных смесей при испытании по методу CIF


Рис. 5. Потери массы для выбранных составов при испытании по методу CIF


Рис. 6. Водопоглощение образцов при испытании по методу CIF

Только состав I-S-1 успешно выдержал испытание по методу CIF. У остальных составов после 28 циклов замораживания и оттаивания относительный динамический модуль упругости стал ниже предельного значения, составляющего 75 % исходного. Этого следовало ожидать, поскольку из-за выбранного водоцементного отношения (В/Ц)экв. = 0,55 составы не соответствовали классу XF3 по DIN EN 206-1.

При сравнении составов I-S-2 и I-S-4, имеющих примерно одинаковую пористость, видно, что хотя они оба не выдержали испытание по методу CIF, однако по степени повреждения они сильно различаются. Если для бетона I-S-2 относительный динамичес­кий модуль упругости падает ниже 75 % только после 21 цикла замораживания и оттаивания, то для бетона I-S-4 это происходит уже после 9 циклов.

Бетон I-S-1 успешно прошел испытание по методу CIF, так как имеет высокую порис­тость. Влияние тонкости просева не было обнаружено.

Составы I-S-2 и I-F-2 были изготовлены при сопоставимом содержании песка, но у них имеются различия в диапазоне самых мелких частиц. В составе I-F-2 содержится больше каменной муки, и это проявляется в чуть более высокой пористости. В то же время при испытании по методу CIF оба состава ведут себя практически одинаково. Очевидно, что разница в пористости, равная 0,25 % недостаточна, чтобы стать причиной значительных различий в отношении морозостойкости.

Образцы III-F-1 и III-F-4, несмотря на существенные различия в пористости (0,6 %), показали одинаковые результаты при испытании на морозостойкость. В целом бетоны на основе цемента CEM III по сравнению с бетонами на основе CEM I подвергаются более сильному отшелушиванию, что может быть связано с изменением распределения капиллярных пор в бетонах с CEM III в результате карбонизации.

4. Заключение

Результаты исследований показывают, что тонкость частиц влияет на пористость свежего бетона. Этот показатель растет вместе с тонкостью просева.

Измерения с помощью воздухомера показали, что кривая просеивания влияет на пористость. Это особенно четко проявляется при варьировании данной кривой в области самых тонких частиц (варьирование кривой вторым способом). Чем мельче час­тицы в этом диапазоне, тем выше порис­тость бетона.

При варьировании содержания песка повышенную пористость имеют только бетоны с кривыми, соответствующими самому тонкому просеву. Это свидетельствует о существовании определенной пороговой кривой просеивания, начиная с которой сказывается влияние ее вида на пористость свежего бетона.

Из 16 смесей 6 были исследованы на предмет морозостойкости по методу CIF. Бетоны с цементом CEM I при больших различиях в пористости продемонстрировали также большие различия в морозостойкости.

Различия в последствиях действия мороза при приблизительно одинаковой пористости позволяют сделать вывод, что определенную роль также игра­ет тонкость просева. Это проявилось и при дальнейших исследованиях влияния размера зернистых заполнителей на морозостойкость бетона.

Различия относительного динамического модуля упругости и степени повреждений исследованных бетонов с цементом CEM III, имеющих разную пористость, обнаружить не удалось. Вероятно, это связано с тем, что их пористость в принципе была слишком низкой.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о влиянии доли тончайших частиц на пористость, а в случае бетонов с цементом CEM I — на морозостойкость. Поэтому в будущем при разработке сортов бетона следует учитывать характеристики кривой просеивания в области самого тонкого просева.



* Статья подготовлена авторами на основе доклада, сделанного на конференции 19.ibausil.



ЛИТЕРАТУРА

1. Brameshuber W., Kerschl C., Rahimi A., Spörel F. HOZ-Betone in Auslagerung nach XF1 und XF3: Expanse of Concretes with Blastfurnace Cement in XF1 and XF3 // Forschungsbericht Nr. F 878/2. Aachen: Institut für Bauforschung, RWTH Aachen University, 2015.

2. Merkblatt Frostprüfung von Beton (MFB) // Bundesanstalt für Wasserbau, BAW. Ausgabe: September 2012. Karlsruhe, Hamburg, Ilmenau: Bundesanstalt für Wasserbau, 2012.

3. Weise F., Maier B., Alonso M.T., Müller C. Analyse des Verhaltens von Gesteinskörnungen im Beton bei Frosttauwechselbeanspruchung // F.A. Finger Institut für Bau­stoffkunde, Bauhaus-Universität: 18. Internationale Bau­stofftage (Ludwig H.-M., Ed.). Weimar, 12—15 September 2012. S. 2 0453—2 0467.

4. Lang I., Setzer M.J. Einfluß von Feinstteilen auf Porenstruktur und Betoneigenschaften // TIZ. 1988. B. 112, H. 4. S. 239— 242.

5. Grübl P., Lemmer C. Einfluß des Mehlkorns auf den Wider­stand von selbst-verdichtendem Beton bei Einwirkung von Frost mit Taumitteln // 4. CDF- und CIF-Fachtagung, 4. Fachtagung der Universität Essen und WISSBAU Beratende Ingenieure. Essen, 10 Oktober 2001. S. 30—43.

6. Ping X., Beaudoin J.J., Brousseau R. Effect of aggregate size on transition zone properties at the Portland cement paste interface // Cement and Concrete Res. 1991. Vol. 21, N 6. P. 999—1005.

7. Elsharief A., Cohen M.D., Olek J. Influence of aggregate size, water cement ratio and age on the microstructure of the interfacial transition zone // Cement and Concrete Res. 2003. Vol. 33, N 11. P. 1837—1849.



Автор: К. Кершль, В. Брамесхубер

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.