Проведем анализ характер возникновения и распространения трещин при испытаниях на термическую стойкость в зависимости от вида формования и присутствия наполнителя.

При первом нагревании структура материала претерпевает основные структурные и вещественные превращения, значительно изменяющие физико-механические и теплофозические характеристики материала. Усадочные явления и температурное расширение затвердевших глиношлакошамотных композитов обусловливает деформации разного знака в структуре, вызывающие соответствующие напряжения между ее компонентами. Протекающие при высоких температурах реакции в твердых фазах между составляющими материала в одних случаях увеличивают эти напряжения, в других – релаксируют их. Напряжения растяжения ослабляют связи между структурными компонентами и являются основой разделения гетерогенной структуры композита на фрагменты, ограниченные друг от друга трещинами.

В связи с этим при проведении испытаний по оценке термической стойкости образцов проводилась визуальная оценка состояния их поверхности. Образцы изготавливались различными методами на основе ГШ вяжущего и активизатора оптимального состава, как с жаростойким заполнителем, так и без него [5…10]. Образцы твердели в воздушно-влажностных условиях при t=20±2°С, после чего подвергались испытанию. Картина трещинообразования на поверхностях глиношлаковых образцов после различных циклов испытаний приведена на рисунке 1.

При исследовании состояния поверхностей образцов и тещинообразования были выявлены интересные особенности возникновения и развития трещин.

Поверхность виброуплотненных образцов в исходном состоянии имеет некоторое количество пор, различных по форме и размеру. Это только видимые поры, которые можно отнести к макропорам размером 0,5-1,0 мм.

После первого цикла нагрева-охлаждения поверхность образца покрылась небольшим количеством трещин. Причем крупные поры являются центрами трещинообразования, от которых начинается рост трещин. В дальнейшем, после 2-3 циклов, количество трещин растет, увеличивается их размер и глубина проникновения в образец. Трещины в своей совокупности образуют сетку, покрывающую весь образец.

После 4 циклов испытаний на термостойкость часть мелких трещин объединяются в крупные, длина которых составляет до 4-5 сми глубиной до2 см. Ширина трещин до1 мм. После 6 цикла испытаний образец покрылся сетью очень крупных и глубоких трещин. Длина – более5 см, ширина – до2 мм, глубина – более 3-4 см (рис. 1,а). После седьмого цикла нагрева-охлаждения образец рассыпался на мелкие куски по трещинам.

В отличие от виброуплотненных, поверхность прессованных образцов не содержит видимых пор, что свидетельствует о высокой плотности образца.

После первого цикла испытаний на ребрах образца появляются тонкие волосяные трещин длиной до 1,0-1,5 см. В дальнейшем происходит развитие трещин, образовавшихся ранее, и появление новых. Однако общее их количество после 2-го цикла испытаний гораздо меньше, чем на виброуплотненных образцах. После 4 цикла испытаний на термостойкость количество трещин значительно возрастает, они объединяются в достаточно сильно разветвленную сетку. Развитие трещин внутрь структуры оценить сложно, но предполагается, что крупные трещины не нарушают связанности структуры, так как образец сохраняет свою целостность до 6 цикла испытаний (рис. 1, б). Разрушение наступает тогда, когда некоторая часть трещин соединяется и пронизывает весь образец.

Подтверждением тому, что образец содержит небольшое количество крупных магистральных трещин может служить тот факт, что образец разрушается на несколько кусков (2-3 куска), то есть по очень крупным трещинам. Отделения мелких фрагментов при испытаниях не наблюдалось.

 Рисунок 1 – Характер трещинообразования виброуплотненных и прессованных образцов из глиношлакового вяжущего после 6 циклов испытаний на термостойкость

 Введение наполнителя (рис. 2) значительно увеличивает сроки начала образования крупных трещин, что, в свою очередь, повышает термическую стойкость образцов. Первые крупные трещины появляются на образце лишь после 20-25 циклов водных теплосмен. Из этого следует, что вкрапления частиц шамотного песка усиливает структуру материала за счет гашения трещин при их развитии от цикла к циклу. В связи с этим введение шамотного наполнителя в виде включений в недостаточно термостойкую ГШ–матрицу можно считать эффективным приемом для улучшения эксплуатационных свойств глиношлакового материала [10, 11]. Еще большее повышение термостойкости достигнуто нами при введении в матрицу боя шамотного кирпича фр 1,25-2,5 мм, 

 Рисунок 2 – Характер трещинообразования прессованных образцов из глиношлакового вяжущего с шамотным песком после испытаний на термостойкость: а) до испытания;  б) после 7 циклов; в) после 15 циклов; г) после 25 циклов;  д) после 40 циклов

 Оценка характера трещинообразования и термостойкости различных образцов свидетельствует о том, что прессованные структуры более устойчивы в условиях резкой смены температур от 800 до 20°С. При введении заполнителей термостойкость многократно увеличивается, характер трещинообразования меняется в сторону уменьшения количества трещин и величины раскрытия их до разрушения образцов.

Необходимо отметить, что, поскольку источником зарождения трещин, раскрывающихся в процессе испытания на термостойкость, является воздушная усадка при сушке, то проведено определение ее для наполненных и ненаполненных глиношлаковых материалов. Воздушная усадка прессованного глиношлакового вяжущего состава 40:60 при естественном выдерживании в течение 150-180 сут. при относительной влажности воздуха 70-85 % достигает 5,5-6,0 мм/м.

При наполнении вяжущего боем шамотного заполнителя фр. 1,25-2,5 мм в количестве 100% от массы вяжущего усадка за этот период снижается до 3,0-3,5 мм/м. При сушке такого композита при t=105-110°С после его 28-ми суточного твердения во влажном состоянии усадка составляет 6,0-6,5 мм/м. Огневая усадка при обжиге при t=1000°С достигает 3 мм/м. Таким образом, общая усадка составляет 9-10 мм/м. Почти двукратное уменьшение ее до 5,0-5,5 мм/м достигается дополнительным введением тонкомолотого шамота в количестве 50-60% от массы вяжущего, что приводит к повышению жаростойкости материала и снижению потери прочности после прокаливания.

Разрушение по растянутой зоне было достигнуто путем снижения количества продольной арматуры у нижней грани ростверка.

При исследовании растянутой зоны восьми – свайных ростверков, было испытано два образца – РК-2, армированный сеткой, и РК-5 с концентрированным армированием.

Характеристики опытных образцов приведены в табл.1. На рис.1 показано армирование опытных образцов с количеством свай, равным восьми, в табл.2 представлена спецификация арматуры.

	Номер позиции	Обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
		РК-2 РК-5	Ростверк под колонну	1 шт. 1 шт.	η = 8 μs min
		C-2	Сварная сетка
	1		Ø 4 Вр –І  = 0,82	21
	2		Ø 5 Вр –І  = 1,32	11

Нагружение ростверков производили гидравлическим домкратом ДГ-200 через металлическую пластину, имитирующую колонну.

В образце РК-2 первыми образовались нормальные трещины по про­дольной стороне в пролетах при Р=0,52 Р_разр (рис. 2 (фото)). С даль­нейшим увеличением нагрузки эти трещины развивались слабо. Одновре­менно с ними появились наклонные трещины, исходящие от средних опор по направлению к крайним. При нагрузке, близкой к разрушающей, появилась трещина в середине пролета в поперечном направлении. На подошве ростверка наблюдалась серия трещин вдоль арматурных стержней, расположенных в средней части конструкции. В зоне наиболее удаленных свай трещины отсутствуют (рис. 3 (фото)).
Характер трещинообразования РК-5 во многом похож на РК-2. Отли­чительной особенностью является то, что все трещины появились почти одновременно. Этот образец оказался прочнее в 1,17 раза по сравнению с РК-2, армированным сеткой (рис. 2 – 4).

Схема разрушения РК-2, РК-5
Разрушение образцов произошло по растянутой зоне при активном развитии трещин на подошве ростверков в среднем пролете. Наклонные трещины образовывались с внешней стороны средних опор и развивались по высоте ростверка в сторону крайних. Концентрация арматуры не по­влия­ла на процесс трещинообразования, но способствовала увеличению прочности образца.

Для испытаний проектировались образцы в виде моделей в масштабе 1:3. Образцы изготавливались в заводских условиях. Нагружение ростверков производили гидравлическим домкратом.

Испытаны ростверки под колонну с числом свай 6 и 8. Армирование образцов осуществлялось сварными сетками.

Полученные сведения о характере образования и развития трещин позволяют произвести их классификацию и выделить две группы. Первая группа включает нормальные трещины, образованные в растянутой зоне, т.е. у нижней грани ростверка. Здесь два вида трещин Т-nР и Т-Р, образованные соответственно в продольном и поперечном направлениях. Как правило, они появляются первыми и при большом проценте армирования развиваются слабо. Для ростверков с малым процентом армирования эти трещины являются разрушающими (рис. 1).

а 

б 

Рис. 1 Классификация трещин. Схемы разрушения для шести- и восьмисвайных ростверков:
а – по сжатой зоне; б – по растянутой зоне

Вторая группа объединяет наклонные трещины, развивающиеся от опор или по направлению к ним. Первый вид – наклонные трещины Т-Г. Они выделяют наклонные сжатые полосы бетона. При большем проценте армирования развиваются от внутренней грани сваи-опоры до колонны. С ростом нагрузки их ширина раскрытия увеличивается, и трещины становятся критическими. При небольшом проценте армирования трещины Т-Г развиваются от наиболее нагруженных свай, находящихся возле колонны, и почти достигают верхней грани ростверка над крайними опорами. При этом они не являются разрушающими, а отделяют сильно нагруженную часть ростверка под колонной от малонагруженной возле крайних свай. Второй вид – трещины Т-С, которые располагаются внутри сжатых потоков, находящихся между грузовыми и опорными площадками (рис. 1).

Трещинообразование при многорядном расположении свай имеет отличия от трещинообразования других ростверковых конструкций. Пространственное расположение сжатой полосы бетона существенно влияет на время появления трещин на поверхности ростверка. Этим можно объяснить отсутствие трещин на боковых гранях ростверка, несмотря на рост внешней нагрузки. Очевидно, физическая работа ростверка по мере увеличения нагрузки сопровождается накоплением микротрещин в наклонной сжатой полосе, расположенной между колонной и опорой-сваей. При образовании микротрещин увеличивается объем сжатой полосы, и в момент её разрушения, описанные выше трещины появляются на боковых поверхностях ростверка. При этом разрушающая сила увеличивается примерно на 15 %. Рост разрушающей нагрузки после возникновения предельного состояния в сжатых полосах бетона можно назвать эффектом пространственной работы ростверков.

В результате экспериментальных исследований получены три схемы разрушения.

Разрушение по сжатой зоне. Признаком разрушения является развитие наклонных трещин в бетоне между грузовой и опорными площадками. Может наблюдаться раздробление бетонных полос, т.е. присутствие серии наклонных трещин.

Разрушение по растянутой зоне. Признаком разрушения является активное развитие трещин между сваями-опорами и на подошве ростверка. При этом происходит разделение ростверка сквозными вертикальными трещинами.

Смешанное разрушение, т.е. разрушение ростверков по сжатой и растянутой зонам одновременно. Признаком разрушения является активное развитие трещин над сваями-опорами и в пролете между ними.

Остановимся на влиянии основных факторов на образование и развитие трещин в ростверках.

Процент армирования растянутой зоны ростверка влияет на схему разрушения (по сжатой зоне, по растянутой зоне, смешанное) и на прочность ростверка в целом. В наших экспериментах при увеличении процента армирования с 0,18% до 1,2% разрушающая сила повысилась в 2,5 раза.

Концентрация стержней над сваями-опорами увеличивает разрушающую силу на 12% и более, но не меняет характер трещинообразования.

Изменение центра приложения нагрузки, то есть наличие эксцентриситета, также как и частичное выключение свай из работы или неравномерная осадка свай приводит к несимметричному появлению и развитию трещин и к уменьшению разрушающей силы.

Особенностью развития трещин в многорядных ростверках под колонны является криволинейная траектория граничных трещин полуарочного очертания. Эти трещины выделяют участок ростверка над наиболее нагруженными сваями, близко расположенными к колонне, как в продольном, так и в поперечном направлениях. Они подчеркивают пространственный характер работы ростверков.

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.