V-29

ХI МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2011 11th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2011

I - 1

ЦИМЕНТОВИ КОМПОЗИТИ С АВТОГЕННО САМОВЪЗСТАНОВЯВАЩИ СЕ СВОЙСТВА. СЪСТОЯНИЕ НА ПРОБЛМА Иван Ростовски1 Университет по Архитектура, Строителство и Геодезия – София, Институт по механика - БАН AUTOGENIOUS SELF-HEALING CEMENTITIOUS COMPOSITES. STATE-OF-THE-ART Ivan Rostovsky University of Architecture. Civil Engineering and Geodesy – Sofia, Institute of Mechanics - BAS

Abstract: The cracks are constant phenomenon in concrete and reinforced concrete structures. They can be caused by external loading, temperature induced volume changes, creep, shrinkage, corrosive processes or cyclic freezing and thawing. Usually, the cracks in the cement-based materials are due to its relative low tension strength and limit tension strain (0.01-0.02%). The cracks lead to decreasing of concrete durability by facilitating penetration of potentially dangerous substances which can attack concrete and/or reinforcing steel. The presence of cracks may cause mechanical weakening of structures, reducing stiffness or loss of impermeability. The elimination of the cracks is reason for creation of new type cementitious composites – with slef-healing structure and properties. This self-healing can be realized by introduction of additional binders, preliminary organic-based or by using the ability of cementitious materials to reduce cracks width when they are in wet environment – autogenious self healing(by A.M Neville). This phenomenon is observed long time ago – in 1836 in French Academy of Sciences. The examination of this relatively new type materials requires the introduction of new or unconventional methods to study their properties.

1. Увод Пукнатините са неизменно явление при бетонните и стоманобетонни и конструкции.

Те могат възникнат на всеки етап от живота на конструкцията, вследствие на външно натоварване, обемни изменения от температурна промяна, пълзене, съсъхване, корозионни процеси или циклично замразяване и размразяване[1]. Обикновено пукнатините в материалите на циментова основа се дължат на относително ниската им якост и гранична деформация на опън (0.01 – 0.02%).

Пукнатините понижават дълготрайността на бетонните и стоманобетонните конструкции чрез улесняване на проникването на потенциално опасни вещества, които 1 Иван Ростовски, доц/д-р инж., София 1046, бул.”Христо Смирненски” №1, Катедра „Строителни

материали и изолации”, каб. 1027, e-mail: [email protected] ; Институт по механика – БАН, Секция „Махника на композити”.


могат да атакуват бетона и/или армировъчната стомана. Наличието на пукнатини може да доведе до механично отслабване на конструкциите, намаляване на тяхната коравина или загуба на непроницаемост.

Елиминирането на пукнатините е причина за създаването на нов тип циментови композити – със самовъзстановяващи се структура и свойства. Темата е изключително актуална, но проблемът със самовъзстановяването е относително слабо изучен [2]. В монета съществуват две основни насоки за развитие на процеса - чрез използване на допълнителни свързващи вещества, най-често на органична основа, диспергирани равномерно в обема на композита под формата на капсули или като се използва способността на циментовите материали да намаляват ширината на пукнатините в тях, когато се намират във влажна среда – автогенно възстановяване (по A.M. Neville)[3]. Автогенното възстановяване се дължи основно на две явления – взаимодействие на калциевия хидроксид, получен при хидратацията на цимента с въглеродния диоксид от въздуха и хидратация на нехидратирали циментови частици. Явлението е наблюдавано много отдавна – през 1836г. във Френската академия на науките.

2. Механизъм на автогенното самовъзстановяване

Самовъзстановяването е естествен процес за намаляване на размера на пукнатини в

бетона, който възниква при наличие на влага. Според Edvardsen в пукнатините на циментовите композити настъпва натрупване на калциев карбонат съгласно следните химични реакции[4,5]:

(2.1) H2O + CO2 ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3

- ↔ 2H ++ CO2-

(2.2) Ca2+ + CO3

2- ↔ CaCO3 (при рН на водата >8) (2.3) Ca2+ + 2HCO3

- ↔ CaCO3 + H2 (7.5 < рН на водата < 8)

Въглеродният диоксид CO2 се разтваря се разтваря във водата намираща се в пукнатините, а калциевите йони Ca2+ преминават във водата от втвърдената циментова паста. След това се формират кристали на калциев карбонат CaCO3, които се прикрепят към стените на пукнатините и дисперсната армировка, премостваща пукнатините (ако има такава). В резултат на това ширината на пукнатините намалява и след определено време пукнатината е запълнена.

I - 2 Фиг. 1. Натрупване на кристални продукти в пукнатина


Считаме, че формирането на кристали от калциев карбонат в пукнатините на композити на циментова основа не изчерпва въпроса за естеството на автогенното самовъзстановяване. Това на практика означава, че самовъзстановяване може да се наблюдава при всички циментови бетони, тъй като при хидратацията им се формира достатъчно количество калциев хидроксид – около 15% от количеството на новообразуванията, който да „осигури” необходимия материал за запълване на пукнатините.

Duff Abrahms представя през 1918г. своя класически закон „за пластични бетони смеси с използване на плътни и чисти добавъчни материали, якостта на бетона зависи от количеството на водата за торба цимент”. Той предлага следното уравнение за изчисляване на якостта на бетона fc :

(2.4) c x

AfB

=

Където А = 14000psi=96.5 N/mm2, B = 7. Според закона на Абрамс, якостта на бетона зависи единствено от водоциментното

отношение w/c. При което бетонната смес има необходимата обработваемост. Показаната формула е претърпяла редица модификации през годините, предложени от редица изследователи.

Законът на Abrahms има много ограничения, затова много изследователи не са съгласни да го наричат закон, но дори те са съгласни, че той може да бъде разглеждан като правило. Зависимостта между водоциментното отношение и състава на циментната паста е показа на фигура 2:

Фиг. 2. Състав на циментовата паста при прекратяване на хидратацията [

Якостта на циментовите композити при какво да е водоциментно отношение е функция

на: 1. Физични и химични свойства, степен на хидратация на цимента; 2. Температура, при която протича хидратацията; 3. Съдържание на въздух в бетона; 4. Промяна във водоциментното отношение; 5. Формиране на пукнатини от водоотделяне и съсъхване.

I - 3


Редица изследователи считат, че е по-коректно якостта да се обвърже със свойствата на хидратните продукти и отношението на обема на хидратните продукти към свободното пространство за формиране на тези продукти (gel-space ratio)[6]. Отношението гел към свободно пространство е дефинирано като отношение на обема на хидратиралата циментова паста към сумата от обемите на хидратиралия цимент и капилярните пори. Powers и Brownyard установяват зависимост между якостта и отношението гел към свободно пространство – фигура 3.

Фиг. 3. Връзка между якост и отношение гел-свободно пространство

Аналитичния израз, с който се задава зависимостта е:

(2.5) 3240cf x= където, fc – якост на бетона, N/mm2; х – отношение гел към свободно пространство. 240 – якост на циментовия гел в N/mm2 за типа на използвания цимент и пробни

тела. Отношението гел към свободно пространство х се определя чрез израза:

(2.6) . . .

. .c

c o

C VxC V W

μαα

=+

където, С – маса на цимента, g; Vc – специфичен обем на цимента, cm3/g; µ - количество гел, което се получава при хидратацията на 1g цимент; α – степен на хидратация на цимента; V0 – първоначално количество на водата, g. Основното ограничение пред тази теория, че изчислената якост на бетона е по-

висока от действителната. Това се дължи на допускането, че бетонът е абсолютно хомогенен и бездефектен, което не е изпълнено. Наличието на дефекти, като пукнатини, празнини, капиляри, температурни напрежения и др. води до намаляване на якостта.

Както е видно от фиг.2 при водоциментно отношение по-ниско от 0.38 в състава на циментовите пасти присъства определено количество нехидратирал цимент – при

I - 4


I - 5

отношение гел/свободно пространство равно на 1. Това количество нараства с намаляване на водоциментното отношение. На практика пълна хидратация на цимента е възможна единствено при диспергиране на цимент във вода т.е. при получаване на вода суспензия. Известно е, че при смилане на втвърдена циментова паста и повторно смесване с вода, пастата отново се свързва и втвърдява, но получените физико-механични показатели са по-ниски от първоначалните. На тази база е разработен метод, който позволява да се определи потенциала на циментови композити за самовъстановяване, след като се определи отношението на якостта им при първоначално и повторно смесване с вода, след като втвърдения продукт е смлян до определена ситност.

Има основание да се смята, че при наличие на значително количество нехидратирал цимент в близост до стените на пукнатините ще се създадат условия за запълване им, освен с калциев карбонат и с калциеви хидросиликати, които са съединения с по-висока дълготрайност и химична устойчивост. При това, колкото е по-голямо количеството на нехидратиралия цимент – толкова по-бързо се очаква да бъдат запълнени пукнатините с кристални продукти.

Друг основен фактор е ширината на пукнатините. Известно е, че при бетоните може да настъпи разрушаване при възникване на първата пукнатина – например при състояния на опън или огъване. Най-надеждния метод за ограничаване на размера на пукнатините и осигуряване на работа на циментовите композити в следкритичен стадий е използването на дисперсна армировка във вид на влакна. Влакната премостват двете страни на пукнатината и създават преграда пред по-нататъшното й развитие, при равни други условия в бетонът възникват по-голям брой пукнатини, но с по-малка ширина, в сравнение с традиционния начин на армиране с пръти и/или заварени мрежи.

Счита се, че пукнатини с ширина до 0.1 – 0.15 mm могат да се „самолекуват” напълно, дори при филтрация на вода.

3. Методи за изпитване

Установяването на наличие или липса на възстановяване на структурата при циментовите композити става чрез разнообразни методи за изследване.

3.1. Резонансна честота [2] на призматични пробни тела. Това е метод, който се използва широко за установяване на повреди в циментови композити – например от циклично замразяване и размразяване. При възникване на пукнатини в пробните тела резонансната им честота рязко намалява, след което при възстановяването на структурата отново се наблюдава повишаване на резонансната честота.

3.2. Скорост на преминаване на ултразвук – скоростта на преминаване на ултразвук през бетон варира в границите 2000 – 4500(4800) m/s, докато скоростта на разпространение във въздушна среда е 339 m/s. Това позволява ултразвуковия импулсен метод да се използва широко за откриване на дефекти в конструкции. След възникване на пукнатини в циментовите композити, скоростта на ултразвука рязко намалява, а след това, при запълване на пукнатините отново се увеличава.

3.3. Филтрация на вода през пробни тела. Известно е, че втвърдените циментови пасти имат незначителна водопропускливост, която нараства скокообразно при образуване на пукнатини. Със запълването на пукнатините с новообразувания и намаляване на тяхната ширина, филтрационната способност на напукания композит намалява.

3.4. Водопопиваемост на циментови композити. След образуване на пукнатини водопопиваемостта на циментовите композити се увеличава. При възстановяване на структурата на композитите водопопиваемостта им постепенно намалява.

Изменението на ширината на пукнатините може да бъде следено с конвенционални методи – например микроскопия, а състава на продуктите, които ги запълват би могъл да


I - 6

се установи с подходящи физикохимични методи – рентгено-фазов анализ и диференциално термичен анализ.

Изводи Този нов вид композитни материали е чувствително по-скъп от обикновения бетон,

като в същото време редица аспекти от неговото поведение са слабо изучени. Това предопределя и потенциалното му приложение – на места, където свойствата му ще бъдат оползотворени в максимална степен.

Възстановяването на микропукнатини в бетоните с високи експлоатационни свойства (high performance concrete) се очаква да реши проблема с възникването на пукнатини в ранна възраст [2], например при транспортни съоръжения като пътни настилки и мостови конструкции или при съоръжения за съхранение на вода. По този начин композитите на циментова основа с автогенно възстановяващи се структура и свойства могат да поддържат коравина, якост и деформативност дори, когато са подложени на опасни натоварвания в ранна възраст и особено когато ширината на отваряне на пукнатини е ограничена. Необходими са допълнителни полеви изпитвания, които да потвърдят тези прогнозни очаквания при реални конструкции, изложени на непосредствено атмосферно въздействие.

ЛИТЕРАТУРА [1] Wenhui Zhong, Wu Yao, (2007) Influence of damage degree on self-healing of concrete,

Construction and Building Materials 22 (2008) 1137–1142 (in English); [2] Yingzi Yang, En-Hua Yang, Victor C. Li, Autogenous healing of engineered cementitious

composites at early age, Cement and Concrete Research 41 (2011) 176–183, Elsevier, 2011. (in English);

[3] A.M. Neville, Properties of Concrete, Pearson Prentice hall, Pearson Education limited, Edinburgh Gate, Harlow, Essex, Cm 20 2JE, England, 2004 (in English);

[4] Daisuke Homma, Hirozo Mihashi and Tomoya Nishiwaki, Journal of Advanced Concrete Technology Vol. 7, No. 2, 217-228, June 2009 / Copyright © 2009 Japan Concrete Institute(in English);

[5] Edvardsen, C, Self-healing of concrete cracks, Concrete, ISSN 0010-5317, CODEN CCRTAA, 1999, vol.33, no4, pp.36-37, (in English);

[6] Powers T C, Brownyard T L. Studies of the Physical Properties of Hardened Portland Cement Paste［J］. Bull 22, Res Lab of Portland Cement Association, Skokie IL, U S, Reprinted from J Am Concrete Inst (Proc), Vol 43,(1947), p 101-132, p 249-336, p 469-505, p 549-602, p 669-712, p 845-880, �p 933-992, (1948) (in English);

[7] Duggal S.K., Building materials, Published by New Age International (P) Ltd., Publishers, ISBN (13) : 978-81-224-2975-6; 4835/24, Ansari Road, Daryaganj, New Delhi – 110002, 2008, (in English);

V-29

Documents

Transcript of V-29