Влияние воздухововлекающих добавок на свойства бетона

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее разрушительных воздействий на бетон является резкое изменение температуры ( циклы замораживания -оттаивания). Типы износа бетонных конструкций при циклическом замораживании-оттаивании можно условно разделить на поверхностное образование, характеризующееся потерей веса и ростом внутренних трещин, характеризующихся потерей динамического модуля упругости . В данной статье мы рассмотрим исследование характеристик бетонных образцов, изготовленных с воздухововлекающей добавки, выдержавших 0,100, 200, 300 и 400 циклов замораживания и оттаивания . Экспериментальные исследования образцов воздухововлекаемого бетона С20, С 25, С 30, С 40 и С 50 проводились в соответствии методом сравнительного анализа испытаний на долговечность с обычным бетоном. В данном эксперименте измеряли динамический модуль упругости и потерю массы образцов после различного количества циклов замораживания-оттаивания.

Бетон считается одним из самых неоднородных и требовательных строительных материалов, используемых человечеством. Долговечность бетона определяется как способность противостоять повреждающим воздействиям окружающей среды без разрушения в течение определенного количества времени. Долговечность бетона включает в себя устойчивость к морозу, коррозии, проникновению карбонизации, коррозии под напряжением, химическому воздействию и так далее.

Бетон может быть поврежден , если он подвергается циклам замораживания-оттаивания. Американский институт бетона установил требования по защите бетона, уложенного в холодную погоду. Учёные определили холодную погоду как период , когда более трех дней подряд средняя дневная температура воздуха ниже 4 С. Морозостойкость бетона имеет первостепенное значение в странах с отрицательными температурами , таких как Арктическая зона, Россия, Китай, Северная Америка и Канада и др. Повреждения от мороза, прогрессирующее ухудшение, которое начинается с расслоения поверхности или образование внутренних трещин и заканчивается полным разрушением, является серьезной проблемой при использовании бетона в более холодных регионах. Ухудшения продолжается по мере повторения циклов замораживания и оттаивания, и материал постепенно теряет свою жестокость и прочность, кроме того индуцируется нарастающее необратимое расширение. Исходя из этого повреждение морозом представляет собой очень сложный усталостный процесс. Повышение морозостойкости и продление срока службы бетона представляет собой значительную научно-техническую задачу.

В ходе эксперимента исследовали относительный динамический модуль упругости ( RDME) и потерю веса простого бетона после различных циклов замораживания-оттаивания. В работе исследованы потери динамического модуля упругости высокопрочного бетона под воздействием нагрузки и циклов замораживания-оттаивания .

Воздухововлекающая добавка была рекомендована практически для всех бетонов, главным образом, для повышения устойчивости к циклам замораживания-оттаивания при воздействии воды и противогололедных химикатов в холодных регионах. В настоящий момент очень мало научных работ было посвящено исл=следованию устойчивости к замерзанию оттаиванию воздухововлекающего бетона. В данной работе представлены экспериментальные исследования RDME и потери массы бетонов с воздуховлекающими добавками марки С20, С25, С30, С40 и С 50 после 0,100, 200, 300 и 400 циклов замораживания-оттаивания.

ХОД ЭКСПЕРИМЕНТА

В исследовании использовались местные материалы . Был использован китайский стандарт GB175-99 портландцемент 425 (прочность на сжатие 42,5 МПа в возрасте 28 дней). Использовался природный речной песок с модулем крупности 2,6. Крупный заполнитель представлял собой щебень фракцией 5-20 мм.

Были изготовлены бетонные балки размером 100мм*100мм*400мм для определения потери веса и динамического модуля упругости . Образцы отливали в стальные формы, уплотняли за счёт вибрации и через 24 часа извлекали из формы. Все образцы набирали прочность при температуре 20 С и относительной влажности 95% в течение 23 дней, после этого образцы погружали в воду на 4 дня перед циклами замораживания-оттаивания. Затем, когда возраст образцов составил 28 суток , образцы бетона были помещены в аппарат замораживания-оттаивания.

В данной работе использовалась установка для испытания на замораживание-оттаивание. Циклы замораживания-оттаивания заключались в поочередном понижении температуры образцов от 6 С до -15 С и повышении ее от -15 С до 6 С, при этом температуры антифриза колебалась от 8±2 С до -17 ± 2 С и затем прогревается до 8±2 С всего за 2,5-3 часа.

Динамический модуль упругости и потерю массы каждого образца измеряли перед помещением образцов в аппарат замораживания-оттаивания. После образцы извлекались для испытаний , когда они находились в оттаявшем состоянии с интервалом 50 или 100 циклов. Регистрировали динамический модуль упругости и массу. Перед возвратом образцов в аппарат для замораживания и оттаивания в произвольном порядке контейнеры вычищали и добавляли свежую воду. Образцы бетона С20 и С 25 подвергались 300 циклам замораживания -оттаивания , образцы бетона С30, С40 и С50 подвергались 400 циклам замораживания-оттаивания.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Н а рисунке ниже показано ухудшение поверхности образцов бетона С 30 с воздухововлекаемыми добавками прошедших 0, 200 и 400 циклов замораживания-оттаивания.

Микротрещины образовались после действия циклов замораживания-оттаивания, а затем вследствие этих факторов произошло отделение крупных заполнителей и цементной части. Таким образом, отслоение поверхности были вызваны попеременным замораживанием и оттаиванием.

Относительный динамический модуль упругости RDME испытываемых образцов после различного количества циклов замораживания и оттаивания представлен в таблице 2.

После 300 циклов образцы бетона С30, С40, С50 показали небольшую потерю RDME в то время как образцы С20 и С25 показали значительную потерю модуля упругости. Для образцов бетона с воздухововлекающими добавками относительный модуль упругости медленно снижался в течении первых 200 циклов замораживания -оттаивания. В последующих циклах наблюдается быстрое ухудшение состояние , а после 300 циклов замораживания-оттаивания RDME образцов С20 и С25 дал явное снижение; он снизился примерно до 64,95 и 62,8 % , в то время как RDME образцов С30 и С40 дал снижение только на 6,10, 2,65 и9,65 %. От 300 до 400 циклов замораживания-оттаивания RDME образцов С30 и С50 дал снижение на 16,85 и 12,75 %. Хорошая долговечность воздуховолеченного бетона С30, С 40 и С50 по сравнению с образцами С20 и С 25 может быть объяснена более высокой прочностью на сжатие.

Учёные также исследовали влияние циклов замораживания -оттаивания на RDME простого бетона. Результат исследования показал, что относительный модуль упругости бетона без воздухововлекающих добавок снизился до 62 % после 100 циклов. Потеря динамического модуля упругости при циклах замораживания-оттаивания означает потерю эластичности. Следовательно , влияние циклов замораживания-оттаивания на RDME простого бетона выше, чем на модуль упругости бетона с воздухововлекающими добавками.

Одним из видов износа бетонных конструкций при циклическом замораживании -оттаивании является образование накипи (налёта) на поверхности. Поверхностное образование отложений представляет собой потерю слоя и раствора с поверхности бетона в результате циклического замораживания и оттаивания или внутренней реакции заполнителя ( например, щелочно-кремнеземная реакция в бетоне, смешанном с реагирующими со щелочью заполнителем). В крайних случаях это может привести к разрыхлению крупного заполнителя и постепенному снижению прочности бетонных конструкций. Потеря веса будет вызвана отслоением поверхности, поэтому и была измерена потеря веса.

В таблице 3 указан вес бетона с воздуховлекающими добавками после различных циклов замораживания и оттаивания.

Из таблицы видно , что влияние циклов замораживания-оттаивания на потерю массы воздухововлекающих бетонов С20 и С 25 больше, чем на потерю массы образцов С30, С40, С50. Результаты испытаний показывают, что потеря массы бетона с воздухововлекающими добавками С30 составила 0,2% по сравнению с 1,81 % для простого бетона после 100 циклов . Для образцов с добавками С20, С25, С30, С40 и С50 максимальная потеря веса составила всего 4,38% после 300 циклов. Хотя учёные обнаружили, что потеря веса простого бетона С30 снизилась до 3,74 %после 125 циклов . Для простого бетона увеличение веса наблюдали в течение первых 25 циклов. Для бетона с воздуховолекающими добавками увеличение массы не наблюдалось.

Потеря веса бетонных образцов вызвана поверхностным расслоением или окалиной. Изменение веса во время циклов происходит из-за движения образца в воде и из воды, а также отслаивания поверхности или образования отложений . Как только появляются микротрещины , поврежденные зоны, заполненные окружающей водой, происходит изменение веса образца.. Если масса поверхностного разделения больше, чем вода, поглощенная образцами бетона, вес образцов будет увеличиваться. Вес бетонных образцов уменьшится , когда масса поверхностного разделения будет меньше воды, поглощенной бетонными образцами. По сравнению с простым бетонном , поврежденные зоны, заполненные водой, возникали в бетоне с воздуховолекающими добавками, требующим гораздо большего количества циклов замораживания-оттаивания.

Также были произведены исследования ультразвуковым методом. В этой работе ультразвуковая скорость воздуховолеченного бетона С 30 была измерена ультразвуковым методом. В таблице 4 представлен процент уменьшения скорости ультразвука в воздуховолеченном бетоне после различных циклов замораживания-оттаивания.

ВЫВОДЫ

Бетон с воздуховолекающими добавками содержит миллиарды микроскопических воздушных ячеек, когда в бетоне используются воздуховолекающие добавки. Они уменьшают внутреннее давление на бетон, создавая крошечные камеры для расширения воды при замерзании. Так сравнивая результаты испытаний в данной работе с выводами других авторов процент снижения относительного динамического модуля упругости и потери массы бетона с воздуховолекающими добавками меньше, чем у обычного бетона после того же цикла замораживания-оттаивания. Это означает , что ухудшение морозостойкости бетона с воздуховолекающими добавками происходит медленнее, чем у обычного бетона. Это связано с тем, что смешанный воздуховолекающий агент в бетоне может эффективно их восполнять и , таким образом, повышать морозостойкость.

• Относительный динамический модуль упругости после 100 циклов замораживания оттаивания снизился до 94,35 и 98,75 % для бетона с воздуховолекающими добавками С 25 и С30 и до 64% для обычного бетона без добавок. Поэтому морозостойкость бетона с добавками значительно выше, чем у обычного бетона.
• После 200 циклов замораживания и оттаивания потеря веса составила 0,67 и 0,25 для бетона с добавками и 2,35 и 3,58 % для бетона с такими же характеристиками , но без применения воздуховолекающих добавок.
• Стойкость к замораживанию и оттаиванию простого бетона низкая, но ее можно значительно улучшить , если в бетон добавить воздухововлекающие добавки. Это свидетельствует о том, что бетон обычной прочности также может иметь высокую морозостойкость.