РАЗДЕЛ 2
ОСНОВЫ НАПРАВЛЕННОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК
2.1. Управляемое структурообразование в технологии бетона
Современная технология бетона и железобетонных конструкций предусматривает получение материалов с заданными свойствами при минимальных затратах ресурсов [10]. Основными свойствами бетона, зависящими от фазового состава и характера структуры, являются прочность и долговечность. Таким образом, управление процессами изменения состава и структуры при твердении - главная задача технологии бетона.
Технология бетона использует разнообразнейший арсенал сырьевых материалов и методов превращения их в конечные продукты. Поэтому затруднительно выбрать факторы, имеющие превалирующие значение для осуществления регулируемого структурообразования. В качестве критерия управляемого структурообразования может быть принят комплексный подход к технологии бетона с учетом возможностей применения теории подобия и моделирования [2].
О.П. Мчедловым-Петросяном [10] показано, что физико-химические превращения при твердении бетона можно с достаточной надежностью изучать. Исследуя процессы структурообразования цементного камня. Процесс твердения цементного теста должен рассматриваться как совокупность изменяющихся во времени структур, т.е. комплекс, существование которого поддерживается за счет определенных процессов синтеза и распада новообразований.
Учитывая сложность строения цементного камня в бетоне как объекта исследования, все более широкое распространение получают методы оценки параметров структуры и свойств твердеющих цементов, которые базируются на применении современного программного обеспечения. Это делает возможным создание физико-математических моделей, описывающих процессы структурообразования и позволяющих прогнозировать поведение бетона в различных условиях эксплуатации.
Таким образом, становится актуальной задача установления функциональной взаимосвязи структуры и свойств бетона при действии различных внешних факторов с целью получения материалов с заданными свойствами.
2.2. Влияние микропористости цементного камня на прочность бетона
Формирование пористости происходит в ходе структурообразования цементного камня, когда молекулы воды затворения переходят в состав новообразований, оставляя свободным пространство, которое они занимали до начала гидратации. Следовательно, исходя из особенностей гидратационного твердения, избежать образования пор невозможно. Количество пор в цементном камне в 4 раза превышает их содержание в остальной части бетона [33]. Таким образом микроструктура цементного камня, в основном, и будет определять прочность бетона. Для характеристики порового пространства необходимы знания о размерах, объеме, форме и распределении по размерам пор.
Основным фактором, влияющим на прочность бетона, традиционно считают общую пористость цементного камня [19-20, 29, 83]. Кроме того, прочность гидратированного теста обусловлена однородностью распределения продуктов гидратации в микроструктуре цементного камня [63]. Т. Пауэрс, М.И. Балчин, Д. Рой и Г. Гоуда полагают, что зависимость между прочностью на сжатие и пористостью в формулах 1.8-1.10 имеет степенной характер [37, 56]. Однако, точность значений в полученных зависимостях не установлена.
Результаты комплексных исследований, проведенных Я. Ямбором [58] и Г. Дж. Вербеком, Р.А. Хельмутом [63] (рис. 1.6, 1.7) являются исходными для построения эмпирической зависимости "прочность бетона - пористость цементного камня". В таблице 2.1. представлены значения капиллярной пористости (Vк) приведенные Г. Дж. Вербеком, Р.А. Хельмутом [63] и средние радиусы пор цементного камня (rп) по данным Я. Ямбора [58], и соответствующие им показатели прочности бетона (Rв).
Таблица 2.1.
Зависимость прочности бетона от показателей пористости
Прочность бетона на сжатие Rв, МПаКапиллярная пористость, Vк, %Прочность бетона на сжатие
Rв, МПаСредний радиус пор,
rп, нм170,35,0282,82109,07,5230,1379,410,0200,0462,112,5178,9550,915,0163,3642,917,5151,2737,120,0141,4832,522,5133,3929,025,0126,51026,127,589,42021,732,563,24018,637,551,66016,242,544,78014,347,540,010013,550,028,320012,255,020,040011,657,517,950011,160,016,360010,662,515,170010,165,014,18009,767,513,39009,370,012,61000 Данные приведенные в таблице 2.1 позволяют получить зависимости Rв = f(Vк) и Rв = f(rп), графики которых представлены на рис. 2.1 и 2.2.
Рис. 2.1. Зависимость прочности бетона на сжатие Rв от капиллярной пористости Vк:
1 - Экспериментальные данные Г. Дж. Вербека, Р.А. Хельмута [63];
2 - аналитическая зависимость Rв = 900 Vк-1,1. Рис. 2.2. Зависимость прочности бетона на сжатие Rв от радиуса пор rп:
1 - Экспериментальные данные Я. Ямбора [58];
2 - аналитическая зависимость . Сравнение полученных аналитических зависимостей показало, что на прочность бетона такой показатель пористости цементного камня как радиус пор rп, оказывает большее влияние, чем показатель капиллярной пористости Vк. Особенно существенное влияние оказывают поры с размерами менее 100 нм (заштрихованный участок) (рис. 2.2). Так при смещении максимума распределения пор с 200 нм до 150 нм приводит к увеличению теоретической прочности на 16%, а с 100 нм до 50 нм - на 41%. Таким образом, можно утверждать, что направленное регулирование микропористости цементного камня в диапазоне от 2 до 100 нм при незначительном смещении максимума распределения пор в этом интервале способствует значительному росту прочности.
Полностью ликвидировать поры в затвердевшем бетоне невозможно, однако необходимо разработать технологические приемы, уменьшающие пористость бетона за счет снижения размеров пор цементного камня.
2.2. Моделирование структуры цементного камня
В последние годы для установления взаимосвязи между свойствами бетона и пористостью цементного камня все большее распространен
- Киев+380960830922