Для практического применения новой разновидности вяжущих – геополимеров в технологии строительных материалов необходимо исследовать процессы, определяющие долговечность бетонов и строительных растворов, изготовленных на их основе. К числу таких процессов относится трещинообразование, которое может происходить под воздействием различных факторов на всех стадиях структурообразования и эксплуатации бетона [1]. Одним из основных факторов, определяющих трещинообразование, является усадка.

Усадка вяжущего, протекающая в стесненных условиях, под которыми понимается наличие в матрице цементного камня практически недеформируемых зерен заполнителя и арматуры, приводит в возникновению в материале напряжений и трещин. Образование таких макродефектов структуры обусловливает снижение прочности материала и повышение его проницаемости для коррозионно-активных агентов. В связи с этим усадка является одним из важных факторов, определяющих долговечность строительного материала.

Усадочные деформации геополимеров могут происходить на всех этапах его структурообразования [2]. На ранних стадиях, до наступления схватывания бетонной смеси в ней может наблюдаться пластическая усадка. Причинами этого вида усадки являются высыхание смеси и химические реакции, которые обеспечивают образование микроструктуры и заканчиваются схватыванием смеси. Если смесь сохраняет пластичность, то есть способность деформироваться без нарушения сплошности и образования трещин, то этот вид усадки не приводит к образованию дефектов структуры. Однако, если усадка продолжается после схватывания смеси, это может привести к образованию трещин на поверхности материала. Риск этих явлений возрастает в смесях с повышением расхода вяжущего и воды. Для предотвращения образования трещин в материале на ранних этапах структурообразования необходимо снизить испарение воды с поверхности бетонной смеси за счет использования водонепроницаемых пленок или полимерных покрытий поверхности смеси.

Аутогенная усадка протекает в вяжущем камне при отсутствии массообмена с окружающей средой. Она обусловлена химическими превращениями, при которых объем продуктов реакции меньше объема компонентов. Для некоторых геополимерных материалов пластическая усадка аутогенного характера может быть велика. В частности, для вяжущих на основе магматических горных пород она составляет несколько десятых мм/м [3]. Наиболее интенсивно эта усадка развивается в течение нескольких десятков минут и до момента схватывания значительно замедляется, но не прекращается. Экспериментально установлено, что при воздушно-влажностном твердении с 1 до 28 суток значения аутогенной усадки, в зависимости от параметров состава вяжущего, могут составлять от 0,3 до 0,4 мм/м (рис. 1а), причем 90…95 % усадки вяжущего происходит в период до 14 суток. Повышение аутогенной усадки вяжущего на основе горных пород практически прекращается через 10-15 суток твердения в нормальных условиях. Затем рост этого вида усадки многократно снижается и в течение 1 года усадочные деформации увеличиваются не более чем на 0,08 мм/м. В дальнейшем это процесс замедляется и значения усадки за 1 год в несколько раз меньше, что за 28 суток (рис. 1б). В неблагоприятных условиях, таких, как высыхание поверхности смеси, или при нерациональном составе вяжущего в процессе схватывания аутогенная усадка может привести к образованию трещин. В связи с этим вопросу усадочных деформаций геополимерного вяжущего на начальном этапе структурообразования следует уделять особое внимание.

Рис. 1. Влияние силикатного модуля и удельной поверхности шлака на усадку, мм/м, в период с 1 по 28 сут (а) и с 28 сут до 1 года (б)

Установлено, что для снижения усадки необходимо минимизировать расход воды и использовать в качестве активатора твердения низкомодульное жидкое стекло с силикатным модулем в интервале от 1,4 до 1,5 (рис. 2.6). Использование такого активатора позволяет минимизировать усадочные деформации вяжущего для различных сроков твердения.

Усадка высыхания обусловлена обезвоживанием пор геля и капиллярных пор вяжущего теста. Суммарные значения аутогенной усадки и усадки при высушивании бетона могут достигать 0,4…0,7 мм/м. Суммарная усадка возрастает при увеличении расхода воды и активатора твердения. Как видно из графиков (см. рис. 2), основной прирост усадочных деформаций происходит в течение первых 15-20 суток высушивания.

Как показывает практика, усадка геополимерных вяжущих может вызвать образование трещин в бетоне. Причина этих явлений – хрупкость вяжущего камня, который подвергается неоднородной усадке из-за неравномерности высыхания материала по толщине и влияния заполнителя. Для уменьшения вероятности возникновения этих негативных явлений необходимо контролировать условия твердения.

а)
б)

Рис. 2. Усадочные деформации бетона в зависимости от расхода воды
при дозировке активатора – 12,5 (а) и 16,5 % от веса вяжущего (б)

Усадка геополимерного бетона на основе золы-уноса, по различным данным, имеет очень низкие значения [4, 5]. Через год окончательная усадка таких бетонов независимо от состава и условий твердения и прочности бетона не превышает 0,1 мм/м. При высыхании геополимерного бетона на основе золы фиксируются небольшие колебания усадки. Это может быть связано с миграцией воды из окружающей среды в бетон или наоборот, что вызывает усадку или набухание бетона. Кроме того, имеются некоторые различия в значениях усадки при высыхании бетонов, твердевших в сухих условиях и при пропарке [3-5].

Усадка при высыхании геополимерного бетона на основе золы-уноса, твердеющего при тепловой обработке, существенно меньше усадки портландцементного бетона, твердеющего при аналогичных условиях [4].

Экспериментальные исследования геополимерного бетона на основе низкокальциевой золы-уноса после твердения при 60 °C в течение 24 часов показали, что такие бетоны характеризуются усадкой менее 0,1 мм/м, которая в несколько раз меньше усадки портландцементного бетона [4, 5].

Усадка при высыхании геополимерного бетона, твердеющего в нормальных условиях, гораздо больше, чем усадка термообработанного геополимерного бетона, что связано с водой, испарившейся в результате реакции геополимеризации [5]. Основной рост усадки при высыхании у образцов, твердеющих в нормальных условиях, и у термообработанных происходит в течение первых 2-х недель.

Более низкую усадку геополимерного вяжущего на основе золы-уноса, по сравнению с портландцементом, можно объяснить образованием в результате химических реакций цеолитной фазы в структуре геополимера.

При синтезе цеолита не происходит испарения воды, а геополимерное вяжущее, наоборот, впитывает ее из атмосферы. Этим объясняется отсутствие развития усадочных деформаций при длительном твердении.

На образование усадочных трещин в материале влияние оказывает не только величина усадки. Большое значение имеют прочность при растяжении, модуль упругости, а также ползучесть, развитие которой обеспечивает снижение напряжений, возникающих при стесненной усадке.

Коэффициент ползучести геополимерного бетона – отношение деформаций ползучести к упругим деформациям при прочности материала от 40 до 67 MПa, находится в интервале 0,7…0,4 [4]. Геополимерный бетон на основе золы-уноса обладает низкой ползучестью, что снижает возможность релаксации неоднородных напряжений и увеличивает риск образования трещин.

Небольшая усадка при высыхании и низкая ползучесть геополимерного бетона позволяет прогнозировать его высокую долговечность и эксплуатационную надежность.

1. Баженов Ю.М. Технология бетона – М.: Изд-во. АСВ. 2007. – 528 с.
2. Ерошкина, Н.А. Минерально-щелочные вяжущие: моногр. / Н.А. Ерошкина, В.И. Калашников, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2012. -152 с.
3. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Влияние параметров состава минерально-щелочного вяжущего на прочность и усадку бетона // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 27. С. 78-83.
4. Hardjito D., Wallah S. E., Sumajouw D.M.J. & Rangan B.V. On The Development of Fly Ash-Based Geopolymer Concrete // ACI Materials Journal. 2004. Volume: 101, Issue: 101. Р.467-472.
5. Sofi M., van Deventer J. S. J., Mendis P. A. and Lukey G. C. Engineering Properties of Inorganic Polymer Concretes (IPCs) / M. Sofi, J. S. J. van Deventer, P. A. Mendis,  G. C. Lukey // Cement and Concrete Research. 2007. N.37 (2). P. 251-257.

Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»