Спросить
Войти
УДК 666.9.017
Д.И. ШТАКЕЛЬБЕРГ, д-р техн. наук, Б.И. ВИЛЬГЕ, С.В. БОЙКО, Ф.А. ГОЛЬДМАН, канидаты техн. наук, Компания Concretec Ltd (Израиль)
Физическая сущность линеиных корреляции прочность - электрическое сопротивление при контроле упрочнения цементно-бетонных композиции
Введение. Неразрушающий контроль является неотъемлемой частью технологии производства товарного бетона и сборного железобетона. Современные стандарты [1, 2 и др.] устанавливают обязательное использование неразрушающих методов для определения прочности бетона по предварительно установленным граду-ировочным зависимостям [2].
Однако во многих случаях применение таких граду-ировочных зависимостей не позволяет оперативно выявить причины наблюдаемых колебаний прочности. Это обусловлено прежде всего тем, что сами по себе корреляционные уравнения указывают лишь на возможность функциональной, статистической, но не физической связи между прочностью твердеющих цементных паст, строительных растворов и бетонов различных видов и измеряемыми параметрами: скорость ультразвуковых волн, величина упругого отскока, электропроводность/электросопротивление и др.
Кроме того, необходимо учитывать принципиальные различия между контролем нормируемой или фактической прочности по результатам стандартных испытаний образцов с фиксированными структурно-механическими свойствами и более сложным случаем мониторинга упрочнения цементно-бетонных композиций при их твердении, в том числе в условиях ТВО.
Именно поэтому целью данной работы является выявление физической природы корреляционных взаимосвязей прочность—электрическое сопротивление, получаемых при контроле упрочнения бетона с помощью технологии, разработанной в израильской компании Concretec Ltd.
Прочность и пористость. Существование линейных (или близких к линейным) корреляционных зависимостей между прочностью цементно-бетонных композиций S и их электропроводностью р (сопротивлением отмечено в работах [3—5 и др.].
Полученные результаты мониторинга упрочнения различных бетонов*) (рис. 1, 2 и табл. 1), проводившегося как в лабораторных, так и в производственных условиях**) с помощью измерительной системы Contest-8 [6], свидетельствуют о том, что линейность функции S = f ("К) — закономерное явление [7, 8].
Предположительно основой этих корреляций является взаимосвязь пористость ^ сопротивление ^ прочность формирующейся структуры, однако физическое обоснование линейности функции S = f ("К) до сих пор отсутствует.
Поэтому формальное использование корреляционных уравнений вида:
^ = А+ В , (1)
не позволяет объяснить характер сложного и зачастую противоречивого процесса упрочнения цементно-бе-тонных композиций. Для решения этой задачи необходимо выявить физическую природу линейной взаимосвязи между развивающейся макроскопической прочностью материала и изменением электрического сопротивления проводящей дисперсионной среды, структурированной в формирующейся системе пор и капилляров.
Очевидно, что физическая природа линейности определяется первым слагаемым уравнения (1), т. е. произведением ^* = А ■ ЭД. Наряду с этим существенным фактором, определяющим характер упрочнения, является и величина В.
В частности, постоянная В — это величина прочности, формально определяемая условием ЭД = 0 . Однако приближение к нулю величины электрического сопротивления жидкой проводящей фазы может быть достигнуто только в идеальной системе: в растворе чистого электролита, находящегося в специальных условиях, близких к условиям сверхпроводимости. Поэтому фактически корреляционная прямая S = /(ЭД) не может быть экстраполирована на ось прочности.
В реальных цементно-бетонных композициях, в предельно концентрированных химически активных дисперсных системах начальная величина удельного электрического сопротивления ЭД т всегда существенно не равна нулю. Подобные системы уже в начальном состоянии структуры уплотнения обладают некоторой прочностью , которую определяет постоянная В(ЭД ш Ф 0).
Введение понятия структуры уплотнения, обладающей конкретными физико-механическими свойствами, имеет принципиальное значение. Реальные процессы структурообразования и упрочнения цементных паст, строительных растворов и бетонов могут развиваться исключительно из состояния структуры уплотнения. Только после этого приобретает смысл измерение любых свойств бетона, включая определение его прочности. Следовательно, фактическая (экспериментально определенная) величина прочности (1) всегда включает в себя начальную прочность структуры уплотнения : ^ = , (2)
*) Приведенные данные иллюстрируют весьма небольшую часть проведенных испытний, подтвердивших линейный характер функции 5 = /(ЭД) .
**) Необходимо подчеркнуть, что в подавляющем большинстве опубликованных работ, посвященных измерению электропроводности или электросопротивления химически активных водно-силикатных дисперсных систем, изучали цементные пасты или растворы; практически отсутствуют результаты испытаний бетонных композиций; абсолютное большинство измерений выполнено в лабораторных условиях, т. е. измерительные системы неприменимы для работы на строительных объектах или в цехах предприятий строительной индустрии.
научно-технический и производственный журнал
Место испытаний Марка бетона Цемент (кг/м3) Вода (л/м3) Щебень (кг/м3) Песок (кг/м3) Добавка
Тип Кол-во Фр. 14/19 Фр. 5/9 Название %Ц
«Технион» (Хайфа) В-20 СЕМ I 52^ 223 196 803 402 730 Бирегт1х-300 0-0,7
В-40 348 198 811 406 629 Бирегт1х-300 0-0,7
В-60 492 197 807 404 492 Бирегт1х-300 0-0,7
В-30 279 200 796 397 679 Бирегт1х-300 0-3
Завод товарного бетона «Люблино» (Москва) В30 381 173 969 833 СП-180 0,6
В25 400Д20 (Воскресенский) 410 148 1008 788 1,39
где Д5 — величина упрочнения бетона в результате твердения.
Другая постоянная уравнения (1) А — это коэффициент пропорциональности, определяющий интенсивность упрочнения твердеющего материала при соответствующих изменениях его электрического сопротивления. В свою очередь, изменение электропроводящих свойств твердеющих цементно-бетонных композиций есть результат развития структурно-влажностного состояния, и прежде всего формирования пористости.
Известно, что соотношение прочность (^—пористость (П) для капиллярно-пористых тел определяется степенной зависимостью вида:
как для цементно-бетонных [9—13], так и для керамических [14], в том числе и для металлокерамических [10, 15]) материалов. Здесь 50 — прочность материала при П=0; п — показатель степени, который не должен быть постоянным [16].
Теоретическая прочность цементного камня (при нулевой пористости), по данным [9], составляет 50 «1350МПа; эта величина представляется вполне логичной. Так, Д. Рой и Д. Гоуда [17] при пористости ~ 2% экспериментально достигли прочности 660 МПа. Однако, подставляя эти величины в формулу (3), получаем абсолютно нереальное значение показателя степени п=35,4.
Авторы [17 и др.] предложили другую зависимость для соотношения прочность—пористость:
с 1, п
с 0 к П„
♦ 0%; ■ 0,5%; Д 1%; о 1,5%; Ж 2%; • 3%
где П — общая пористость; П0 — пористость при нулевой прочности, близкая по величине к 0,6; к — константа, равная 2,6-10-5 1/МПа.
Следует отметить, что оценка величины прочности с помощью формул (3) и (4) возможна лишь для капиллярно-пористых тел с фиксированными структурно-механическими свойствами. Здесь величина П — это общая пористость материала, т. е. чем больше пористость, тем ниже прочность и наоборот.
При этом необходимо понимать, что достижение условия П = 0 даже для цементного камня весьма проблематично. Что же касается бетонов (любых!), то применение к ним понятия «нулевая пористость» вообще некорректно.
Поэтому изучение динамического процесса упрочнения цементно-бетонных композиций как результата развития структурно-влажностного состояния химически активной дисперсной системы требует принципиально другого подхода. При этом прежде всего необходимо четко представлять, о какой пористости идет речь.
На рис. 3 [11] представлены изменения общей пористости П твердеющего цементного камня с В/Ц = 0,7, а также ее капиллярной Пкап и гелевой Пгел составляющих. Видно, что при твердении пористость П уменьшается; соответственно в (3) величина (1 — П) стремится к максимуму, следовательно, прочность возрастает.
Очевидно, что использование только одного понятия «общая пористость» явно недостаточно для описания такого сложного процесса, как упрочнение цемент-но-бетонных композиций. Поэтому при анализе зависимостей для минеральных вяжущих и бетонов всегда необходимо помнить, что пористость — это результат
и 50 С
♦ В-20(0%)
В-40(0 7%) ЛВ-60(0%) □ В-60(0 35%) ЛВ-60(0 7%) Рис. 1. Корреляции 5 - Ж для бетонов с различными концентрациями добавки - замедлителя твердения: а - бетон марки В-30; 6 - бетон марок В-20, В-40, В-60, в скобках приведена доля замедлителя твердения. Результаты получены в лаборатории НИИ Строительства «Техниона» (Хайфа, Израиль)
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал
: : ® март 2010 119"
о а 1=
S = 0,0735ЭД* + 4,3353
C 2 = 0,9751 CORR
S = 0,0538ЭД* + 9,2277 / / / /
C CORR = 0,8813
C cor2R = 0,9502
А 1 1 1 1
♦ Воскр. 400 Д20 ИСеребр. 500 Д0 ДВольск. 500 Д0
Рис. 2. Корреляции $ - Ж, полученные на заводе товарного бетона «Люблино» (Москва): а -различных заводов
бетон марки В30, б - бетон марки В25 на цементах
развития структурно-влажностного состояния материала, определяемого всей совокупностью коллоидно-химических процессов твердения.
Определение прочности как функции пористости цементного камня (бетона) начинается с введенного в 1897 г. Р. Фере соотношения цемент—пространство [18]; именно критерий прочности Фере:
расчетах [13] использованы значения $с0, равные ~90 и —110 МПа); п — константа, величина которой зависит от свойств данного цемента.
В дальнейшем при проведении испытаний бетонов Т. Пауэрс установил экспериментально, что предел прочности при сжатии определяется зависимостью вида [20]: ( V
явился основой для получения большинства формул определения прочности (здесь Ус, Уж У$, Ул — абсолютные объемы цемента, воды, песка и воздуха соответственно; к — коэффициент, зависящий от вида цемента и режима твердения).
Так, А.Е. Шейкин [11] модифицировал формулу Г. Вишерса [19] и использовал вместо пористости величину относительной плотности; в его интерпретации зависимость прочность—пористость для цементного камня выглядит следующим образом: ( У
где | — степень завершенности реакций гидратации цемента; у — плотность гидратированного цемента (при расчетах прочности использованы следующие значения: константа $=3100 МПа, показатель степени п=2,7).
Наиболее существенные результаты при исследовании упрочнения цементно-бетонных композиций были получены Т. Пауэрсом. Согласно развитой им [12,13 и др.] концепции гель-пространство, фактор, определяющий упрочнение цементного камня — это отношение объема гидратированного цемента (цементного геля) Ув к сумме объемов геля и капиллярных пространства У$с:
где а — доля гидратированного цемента; w0— объем воды затворения; C — масса цемента, а значение константы 50=234МПа не зависит от возраста и состава бетона.
Принципиальное различие между величинами максимальной прочности 50ц ~ 1350МПа, рассчитанной теоретически для упругого тела [9], и 50 ~ 90+234МПа, полученной при использовании концепции гель—пространство [12, 13, 20], предопределено абсолютно разными структурными свойствами сред, рассматриваемых в обоих случаях:
— в модели Н.А. Крылова [9] — это упругая сплошная среда с нулевой пористостью;
— Т. Пауэрс [12, 13, 20] анализирует реальные твердеющие системы, упрочнение которых определяется развитием двух видов пористости: убывающей капиллярной ПКАП ^ min и возрастающей гелевой Пгел ^ max, причем всегда ПКАП + Пгел ^ 0.
Пористость и электрическое сопротивление. Взаимосвязь между электропроводностью/электросопротивлением и пористостью устанавливается законом Д. Арчи [21], который изучая электрофизические свойства скальных пород, насыщенных проводящей жидкостью, получил следующее соотношение:
p-nm (9)
VG +VSC
где $с0 — максимальная прочность данного цемента, соответствующая идеальному состоянию, в котором все поры и капилляры заполнены гелем, т. е. при ^КАП=0 (в
здесь р0 — проводимость чистой поровой жидкости — электролита, которым насыщался образец; а — констанб
научно-технический и производственный журнал
Время, сут ♦ П(гел) ■ П(кап) Д П(общ) 3. Изменение общей пористости и ее составляющих в процессе твердения цементного камня
та насыщения (равна единице при 100% пористости материала, когда отношение р\\р0=1); т — константа, определяемая характером пористости, например извилистостью капилляров и др. факторами.
Д. Арчи установил, что для плотных песчаников значения показателя степени т ~ 1,8—2, а для неуплотненного песка т = 1,3.
Формула Арчи достаточно широко применяется для изучения твердения цементных паст и растворов. Так, в [22] приведены следующие значения константы т для цементного раствора: в возрасте 28 сут т = 2,1, а в возрасте ~29 лет т = 3,21.
При кондуктометрическом контроле твердения бетона в раннем (0,5—1,5 ч) возрасте [23] было получено значение т = 1,42. В то же время обобщение и анализ данных [4, 24, 25] привел к сильно отличающимся значениям констант а = 1,26 и т = 5,77.
Выше уже отмечалось, что во влажных капиллярно-пористых телах только жидкая фаза является проводящей. Поэтому отношения р/р0 в (9) или Ж0 /Ж в (10) определяют уровень влияния структуры на величину электропроводности/электросопротивления физически связанной влаги, или степень структурирования жидкой фазы. При этом необходимо иметь в виду, что в отличие от пористости твердеющих цементно-бетонных материалов пористость скальных пород — это система пор и капилляров некоторой фиксированной конфигурации и степени связности при полном отсутствии геле-вой составляющей.
Прочность и электрическое сопротивление. Объединение концепции Т. Пауэрса и закона Д. Арчи позволяет установить взаимосвязь между пористостью и электрическим сопротивлением твердеющих цементно-бе-тонных композиций.
Для этого воспользуемся определением прочности согласно Т. Пауэрсу (7), в котором объемы структурных составляющих ^ел и УКАП заменены на соответствующие пористости (при этом Пгел + ПКАП = П); кроме того, в соответствии с (2) учтем величину начальной прочности системы — прочность структуры уплотнения 5/ЛГ:
SC = SC 0
Определим величину общей пористости в (11) с помощью формулы Арчи (10) как:
и после соответствующих преобразований получим выражение, устанавливающее непосредственную взаимосвязь между 5 и Ж в виде:
S = А ПГ
Здесь величина S0 / Ж0 = const, а величина ж * отлична от измеряемой величины электрического сопротивления Ж (см. ниже).
Полученное выражение (13) по своей форме полностью соответствует исходному линейному корреляционному уравнению (1). Отсюда следует, что величина const — это коэффициент пропорциональности A в уравнении (1):
лимитирующий соотношение между силой (прочностью бетона 5) и координатой (электрическим сопротивлением Ж ); произведение:
& \\п/ -1 > * V т
определяет величину измеряемого сопротивления:
& \\ "/ -1 > * \\/т
ж=пт&ж:
Здесь необходимо вернуться к константам базовых формул (7) и (10).
Показатель степени n в формуле Пауэрса (7) — это действительно константа, величина которой зависит от свойств конкретного цемента согласно [12, 13, 20 и др.]. интервал изменения 2,6 < n > 3,4.
В то же время постоянство величин a и т, входящих в формулу Арчи (9, 10), справедливо лишь применительно к материалам с фиксированными структурными характеристиками — скальным породам, затвердевшим цементным пастам, растворам и т. п. Для структурообразующих систем — твердеющих цементно-бетонных композиций эти величины изменяются во времени, т. е. a=fj(r) и т=/2(г). Действительно, так как при твердении пористость в (10) П ^ const и всегда Ж^Ж0, то и величина, определяющая степень насыщения структуры проводящей фазой, a ^ const. В свою очередь, непрерывное заполнение капилляров образующимся цементным гелем изменяет не только объем капиллярного пространства, но и форму самих капилляров, в том числе их извилистость, и т ^ const.
■f: ■ научно-технический и производственный журнал
AiJ : : ® март 2010 12l"
Кроме того, базовая величина в формуле (10) — это значение сопротивления чистого электролита, находящегося вне зоны действия каких-либо силовых полей (капиллярных, поверхностных и др.). Как отмечалось выше, изменение элетрического сопротивления отсчи-тывается от начального состояния структуры уплотнения, т. е. Ж0 =Жда.
Таким образом, общее возрастание измеряемого электрического сопротивления в (15), с одной стороны, пропорционально увеличению гелевой пористости Пгел твердеющей системы, а с другой — зависит от ее (ге-левой пористости) собственного удельного сопротивления Ж *. И хотя величина Ж0 / ЖIN = cornt, изменения структурных свойств a и m также оказывают влияние на общее сопротивление материала.
С учетом вышеизложенного уравнение (13) окончательно записывается в виде:
S ,J 1 ^УтТ ( Ж * ^-^М-1
ST)=Ж7П™(1)(1) fcJ +S", (16)
соответствующем динамическому характеру процессов структурообразования и упрочнения.
Таким образом, зависимость (16) устанавливает прямую взаимосвязь между формирующейся прочностью твердеющей цементно-бетонной композиции S(т) и изменением ее электрического сопротивления Ж(т). При этом линейный характер зависимости S(т) = f [Ж(т)] есть результат суммарного взаимодействия всей совокупности коллоидно-химических и структурных превращений, обусловливающих упрочнение материала. Выводы
Список литературы
Подписано в печать 24.03.2010 Формат 60х881/8 Бумага «Пауэр» Печать офсетная Общий тираж 4000 экз.
and forecasting strength of cementitious material // US Patent No. 7,225,682 on 5 June 2007.
Отпечатано в ЗАО «СОРМ» Свидетельство о регистрации
Москва, 1-й Варшавский пр-д, д. 1а ПИ №77-13559
В розницу цена договорная Набрано и сверстано в РИФ «Стройматериалы»
Верстка Д. Алексеев, А. Комаров, Н. Молоканова
