Учебное пособие 800523

В изученном диапазоне варьирования параметров структуры цементного мик-

робетона достигалось почти двухкратное уменьшение степени заполнения пор водой (см. табл. 22) для влажностного состояния, наблюдаемого после тверде-

ния, длительного хранения в среде с p/po ≈ 1 и после водонасыщения. Подчеркнем, что для микробетона, полученного с применением кварцевого песка,

даже после его водонасыщения этот показатель составляет Vжф/Vпор = 0,85, что ниже критического значения Vжф/Vпор = 0,91.

Фиксируемая для микробетона связь параметров его влажностного состояния с особенностями структуры закономерно проявляет себя в поризован-

ном бетоне, где микробетон используется в качестве материала межпоровых перегородок. При влажностном состоянии, достигаемом после твердения и по-

сле выдерживания в среде с p/po ≈ 1, имеет место 1,5-кратная разница в степени заполнения общего объема пор и микропор водой для цементного поризованно-

го бетона на кварцевом песке и золе-уносе постоянной средней плотности (см. табл. 22). Для бетонов различной средней плотности, но с одинаковым по со-

ставу и структуре материалом межпоровых перегородок заполнение водой, характеризуемое по отношению к общему объему пор, закономерно понижается по мере уменьшения средней плотности бетона. Степень же заполнения, определяемая по отношению к объему микропор, содержащихся в мембранах и оце-

ниваемая для влажностного состояния бетона после твердения и после хранения в среде с p/po ≈ 1, оказывается мало отличающейся. Это и понятно, по-

скольку в качестве материала межпоровых перегородок поризованного бетона в данном случае использовался один и тот же по составу и структуре микробе-

тон.

Итак, в макропористом бетоне при обычном водонасыщении его микро-

поры нацело заполняются водой. Однако с учетом объема макропор в материале всегда есть не занятый водой, резервный объем порового пространства. Его величина зависит от средней плотности бетона, особенностей структуры материала мембран, их дефектности. Выполненные исследования показали, что ре-

зервный объем порового пространства возрастает по мере понижения средней плотности в диапазоне 1600-800 кг/м3 - с 0,32 до 0,5. С другой стороны, при повышении сродства материала перегородок к воде объем не занятого водой порового пространства заметно уменьшается для бетонов равной средней плот-

ности.

Наличие в материале резервного объема порового пространства с точки зрения повышения морозостойкости материала считается положительным фак-

91

тором 67-69 . Однако повышенные значения исходной степени насыщения пор материала водой или, напротив, пониженные их значения еще не дают оснований прогнозировать по ним соответственно более низкую или более высокую его морозостойкость. И уже хотя бы потому, что при охлаждении материала исходное влажностное его состояние и соответствующая ему величина резерв-

ного объема пор не сохраняются. В силу развития процесса термоградиентной миграции влаги в материале с относительно меньшей исходной степенью за-

полнения пор водой может в зоне его охлаждения возникнуть ситуация критического водонасыщения. В материале же с большим исходным водосодержани-

ем такая ситуация, к примеру, может и не появиться, и он в результате этого окажется потенциально более морозостойким.

Как следует из рассмотрения механизма и факторов морозного разрушения, повышенную степень заполнения пор водой следует считать необходи-

мым, но не достаточным условием разрушения при замораживании. Определяющее значение будет иметь не то, сколько воды содержалось в порах мате-

риала в момент начала его охлаждения, и даже не то, сколько ее стало содержаться в зоне охлаждения после миграционного перемещения, а то, сколько ее перешло в лед и как при этом развивались напряжения в материале, оцениваемые по проявлению им деформаций в процессе замораживания.

Сравнительные исследования деформирования сухих и водонасыщенных образцов цементного микробетона и соответствующих видов поризованного бетона при замораживании позволили охарактеризовать ряд закономерностей влияния структуры материала на развитие процесса льдообразования и соответ-

ствующее этому формирование напряженного состояния.

Характер деформирования водонасыщенного цементного микробетона и поризованного бетона при охлаждении (рис. 21, 22, 23) свидетельствует, что в первый период воздействия среды с отрицательной температурой наблюдаемое уменьшение объема материала является следствием температурного деформирования его твердой фазы. Данные объемные изменения могут уже в этот пери-

од в определенной мере перекрываться увеличением объема жидкой фазы при переходе ее в лед. В последующем деформации материала оказываются свя-

занными в основном с развитием процесса льдообразования. При этом деформированное и напряженное состояние водонасыщенного микробетона при за-

мораживании и соответствующие эффекты на кривых деформирования (t) обу-

словливаются особенностями его структуры.

92

Рис. 21. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов цементного микробетона с различным В/Ц-отношением

93

Рис. 22. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов цементного микробетона на различных видах наполнителя

94

Рис. 23. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов различных видов цементного поризованного бетона

95

Для цементного микробетона без добавок и наполнителей отличия в ха-

рактере деформирования сухих и водонасыщенных образцов определяются параметрами порового пространства. Несмотря на то, что в водонасыщенном со-

стоянии поровое пространство микробетона полностью заполнено жидкой фазой, в материале с порами среднего радиуса rэ = 5-7 нм (В/Ц = 0,27), величина объемных изменений водонасыщенных образцов (см. рис. 21,а) соответствует температурным деформациям сухого материала при охлаждении до -30 °С. Из этого следует вывод о том, что деформации расширения, соответствующие льдообразованию, начинают проявляться в области более низких температур

(-40 ÷ -70 0С) по сравнению с температурой стандартных испытаний (-15 -18 °С). Жидкая фаза в материале с такой структурой практически не замерзает, и

льдообразованием в эксплуатационных условиях охватывается незначительный объем воды, содержащейся в основном в крупных порах материала.. В цемент-

ном микробетоне, поровое пространство которого характеризуется двумодальным распределением пор по их радиусам со средним радиусом пор r = 7-10 нм и r = 30-40 нм (В/Ц = 0,35-0,4) по мере охлаждения материала эффект увеличения объема в результате льдообразования достаточно четко наблюдается в 0 ÷ -10 0С и -50÷-60 0С (см. рис. 21, б, в). По-видимому, эффект температурных деформаций расширения материала характерен при замерзании воды в порах средним радиусом rэ = 15 - 20 нм, который можно считать границей замерзаемости воды в поровом пространстве цементного микробетона при средней экс-

плуатационной температуре, одновременно принятой в стандартных испытаниях на морозостойкость.

Для цементного микробетона с наполнителями, рассматриваемого в качестве матричного материала цементного поризованного бетона, также характер-

ны два температурных диапазона: в одном происходит компенсация температурных деформаций уменьшения объема, в другом - деформации расширения

при замерзании воды. Начальная температура льдообразования определяется степенью сродства к воде наполнителя. Для серий микробетона на кварцевом

песке различной дисперсности (см. рис. 22, а, б) компенсация температурных деформаций уменьшения объема наблюдается при температуре -10 ÷ -20 0 С. И

это закономерно связано со структурой пористости и активностью их поверхности по отношению к воде. Средний эквивалентный радиус пор микробетона данных серий составляет 40-50 нм, а теплота смачивания поверхности твердой фазы характеризуется значением менее 2 кДж/кг (см. табл.8, разд. 2.3). Для микробетона на золе-уносе, который характеризуется повышенной теплотой

96

смачивания поверхности твердой фазы (q = 6,1 кДж/кг) и меньшим размером пор в межпоровых перегородках (r = 20 нм), первый эффект расширения наблюдается при температуре -20 ÷ -30 0С. Однако для микробетона на всех рассмотренных видах наполнителя основное льдообразование, по-видимому, происходит при t = -50÷-60 0С, когда величина деформаций расширения дости-

гает 0,4 - 0,5 мм/м.

Дилатометрические исследования показывают, что разность относитель-

ных деформаций при замораживании водонасыщенных и сухих образцов (величина приведенных деформаций = вод - сух) при охлаждении в диапазоне тем-

ператур 0 -60 0С, также растет (табл. 23) по мере увеличения среднего эффек-

тивного радиуса пор материала и уменьшения запаса избыточной поверхност-

ной энергии твердой фазы. По отношению к другим сериям микробетона с наполнителями наибольшая величина приведенных деформаций характерна для микробетона на немолотом кварцевом песке, несмотря на наличие свободного от жидкой фазы объема пор.

Таблица 23 Деформации цементного микробетона и поризованного бетона

при температуре 0 ÷ -60 0С

97

Для цементных поризованных бетонов снижение температуры замерзания воды также фиксируется при увеличении силы взаимодействия структуры с водой за счет повышения удельной поверхностной энергии твердой фазы и уменьшения радиуса микропор межпорового материала (см. рис. 23). Вследствие этого опасный с точки зрения морозостойкости материала интервал темпе-

ратуры его замораживания все более сдвигается в область менее низких ее значений. Для микрозернистого поризованного бетона с повышенной теплотой смачивания поверхности твердой фазы (например, на золе-уносе) существенные деформации расширения начинают проявляться

при t < -50 0С, а для мелкозернистого бетона на кварцевом песке такие деформации фиксируются при t = -10; -20; -50 0С, причем их величина возрастает при увеличении средней плотности. И это при прочих равных условиях закономерно связано со снижением величины не заполненного водой резервного объема пор в материале при уменьшении его пористости.

Полученные результаты исследований дают основание прогнозировать,

что повышение сопротивления поризованного бетона морозному разрушению может быть осуществлено при условии модифицирования его порового про-

странства в направлении уменьшения среднего эффективного радиуса пор. Твердая фаза должна при этом характеризоваться, возможно, более высоким сродством к воде, что наряду с уменьшением радиуса пор предопределяет снижение степени замерзания воды в материале. И это подтверждается результата-

ми стандартных испытаний на морозостойкость, которая для бетона средней плотности 800-1000 кг/м3 на золе-уносе оценивается маркой F50, на молотом кварцевом песке - F35, на песке естественной гранулометрии – не более F25 (табл. 24). Следует обратить внимание на то, что мелкозернистый поризован-

ный бетон средней плотности 1600 кг/м3 также характеризуется относительно низкой морозостойкостью (F35), что соотносится с результатами дилатометри-

ческих исследований.

Таким образом, определяющим фактором морозной деструкции является не критическая исходная степень водонасыщения материала, а мера замерзаемости воды в нем. Проявление разрушающего действия замораживания-

оттаивания определяется, структурой материала. Снижение уровня морозной деструкции обеспечивается путем направленного формирования структуры по-

рового пространства и твердой фазы и соответствующего регулирования при этом температуры замерзания воды в порах поризованных бетонов и, следова-

тельно, деформаций и напряжений при льдообразовании.

98

Таблица 24

Результаты испытаний поризованного бетона на морозостойкость

С точки зрения повышения потенциала морозостойкости для условий эксплуатации изделий с температурой не ниже -(25 30) 0С целесообразно фор-

мировать поровое пространство межпоровых перегородок со средним радиусом пор менее 15 – 20 нм и твердую фазу с величинами удельной поверхности твер-

дой фазы не менее 500 м2/г, а теплоты смачивания – 5-6 кДж/кг, что обеспечивается применением тонкодисперсных наполнителей с высоким сродством их поверхности к воде.

99

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРУКТУР ЦЕМЕНТНЫХ

ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ С ЗАДАВАЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ

3.1. Постановка задачи конструирования

Понятие «качество» в комплексе учитывает функциональные характеристики материала, обеспечиваемые в технологическом цикле, и меру их реализа-

ции при эксплуатации, что, собственно, и определяет его долговечность. Реализация свойств поризованных бетонов при эксплуатации при влажностных воз-

действиях среды зависит от интенсивности и меры изменения влажностного состояния и определяется способностью структуры сопротивляться таким изме-

нениям. Поэтому считается, что проблема, связанная с проявлением материалом свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях, решается через оптимизацию параметров структуры, которые ответственны за изменение количественного содержания и соотношения в материале видов воды, различных по силе связей с его структурой. Исходя из этого целью конструирования материала следует считать формирование его структуры, обеспечивающей макси-

мально эффективную реализацию конструкционных свойств при влажностных эксплуатационных воздействиях.

При этом необходимо выполнение следующих условий:

1)обеспечение набора свойств материала, соответствующего условиям его применения в конструкции;

2)системное понимание роли структуры в формировании свойств, показа-

тели которых определяются ролью каждого отдельного параметра структуры и взаимосвязью его со всеми другими ее параметрами;

3)минимизация составляющих баланса сил связи воды со структурой материала при взаимодействии с водяным паром и водой. Именно от этого за-

висит мера изменения влажностного состояния и свойств в заданных условиях эксплуатации.

При выполнении первого и второго условия следует исходить из того, что для обеспечения задаваемой для поризованных бетонов номенклатуры свойств характеристики параметров состава и структуры имеют оптимумы при разных их значениях. Поэтому при решении задачи конструирования требуется опре-

делить зону компромиссных решений, которая и может считаться рациональной для данного материала.

100