4.2. Способы управления водомиграционными процессами между растворами и пористыми заполнителями в материалах

Водопоглощение пористых заполнителей изменяет распределение воды в системе заполнитель-цементно-песчаный раствор. Воздушная фаза, содер­жащаяся в заполнителях, препятствует их максимальному заполнению водой. Вакуумирование заполнителей приводит к увеличению их водопоглощения. Повышение давления после смешивания заполнителей с водой затворения способствует интенсификации процесса водопоглощения.

Рассмотрение водомиграционных процессов в системе «пористый за­полнитель - связующее» основано на введенных понятиях не занятых водой открытых пор заполнителей в конкретный момент времени, среднего эффек­тивного радиуса, среднего радиуса пор в водосодержащей смеси, представ­ленных в нижеуказанной смеси, представленных в нижеуказанной последова­тельности:

П_(t)=[1-(В_отк/П_отк)]100 , (4.1)

r³_ср(t)= r³_нач П_(t) , (4.2)

r^с_ср(t)=[В_о- В_зап(t)- В_хим(t) ]/S_c.уд , (4.3)

где П_отк - объем открытых пор заполнителя, м;

В_отк - объем пор, заполненных водой за время t, м³;

r³_нач - начальное (до контакта с водой) значение среднего радиуса пор, м;

В_о - расход воды на приготовление материала, м³;

B_зап(t) - количество воды, адсорбированное и поглощенное заполнителями

за время t, м³;

B_хим(t) - количество воды, вступившее в химическую реакцию со связую­щим, м³;

S_c.уд. - удельная поверхность связующего, м2/г.

Миграция воды в пористый заполнитель и переход ее в структурные ячейки (поры) водосодержащей среды происходит в результате перепада дав­лений на основе зависимости

ΔP_рез=к_ф(ΔP₁- ΔР₂+ ΔP₃- ΔР₄± ΔР₅), (4.4)

где ΔP₁, ΔР₂, ΔP₃, ΔР₄, ΔР₅ - перепады соответственно от действия капилляр­ного потенциала, защемленного в порах воздуха, снижения и повышения в них давления вокруг материала, МПа;

Кф - коэффициент фильтрации поверхности.

Изменение объема воздушной и жидкой фаз в заполнителях при тепловом воздействии и давлении определено с использованием подхода З.П.Лозовской применительно к объему воздушной фазы в бетонной смеси.

, (4.5)

где У_в(ж) - объем воздушной фазы (объем открытых пор заполнителя, не за­полненных водой), жидкой фазы (объем воды, поглощенный за­полнителями), м"¹;

β_в(ж) - температурный коэффициент объемного расширения воздуха и во­ды;

ΔР - перепад давлений вокруг и внутри заполнителей, МПа;

Δt - разность между температурой материала в процессе нагрева и исход-ной, С;

Р°_п - парциальное давление пара в начале процесса разогрева, МПа; Р^t_п - парциальное давление пара при температуре t, МПа.

Для изучения влияния водопоглощения заполнителей на структуру бето­на и определения оптимальных режимов данного процесса автором разрабо­тана методика моделирования этого процесса контактным вакуумированием образцов цементно-песчаного раствора. Изменения капиллярной контракта­ции пористых заполнителей, согласно данной методике, моделируются ре­зультирующим давлением в вакуум-щите. Потоки воды в процессе «самова-к)умирования» уносят наиболее мелкие частицы твердых компонентов из межзерновых пространств к пористым заполнителям. Поверхности гранул, действуя как фильтр, задерживают их. Расширение гранул заполнителей при водонасыщении приводит к уплотнению зон, расположенных вокруг них. Из межзерновых пространств вместе с жидкой фазой удаляются наиболее мел­кие твердые компоненты. Оставшиеся твердые компоненты занимают преж­ний объем, то есть в этих зонах плотность снижается.

В настоящее время существует два направления использования вакуум­ного эффекта в процессе приготовления бетонных смесей на пористых запол­нителях. Одни из исследователей используют вакуум-перемешивание для увеличения водопоглощения пористого заполнителя в этот период. При этом доказывается, что интенсивная миграция влаги внутри обезвоздушенного за­полнителя в отформованном бетоне приводит к снижению его прочности из-за уменьшения плотности в межзерновом пространстве. Другие достигают повышения прочности наоборот за счет снижения водопоглощения пористого заполнителя в процессе вакуум-перемешивания, так как при этом уменьшает­ся общее водосодержание бетонной смеси, необходимое для обеспечения требуемой удобоукладываемости. Автором ставилась в связи с этим задача определить, для каких составов целесообразно снижать, а для каких составов и до какой величины увеличивать водопоглощение заполнителя в процессе вакуум-перемешивания. Подбором режимов достигалось водопоглощение ке­рамзитового заполнителя за 4,6,8 минут соответственно 36,50 и 65% от мак­симальной величины.

Экспериментальные исследования показали, что увеличение водопогло­щения заполнителя до завершения уплотнения бетонной смеси в диапазоне от 32 до 50% и, следовательно, снижение его после формования бетона спо­собствует значительному повышению микротвердости в контактной зоне. При этом увеличение микротвердости наблюдается и в зернах керамзита. Дальнейшее увеличение количества воды, поглощенной пористым заполни­телем до уплотнения, приводит к снижению микротвердости в структурных составляющих. Поэтому можно сделать вывод, что оптимальная величина во­допоглощения заполнителя до уплотнения конструктивных бетонов находит­ся в диапазоне 50-55%.

Существующие противоречия о влиянии водомиграционных процессов и направлениях их применения объясняются различными областями составов, в которых они проводились.

Для снижения водопоглощения заполнителей применяют различные способы обработки их гидрофобизующими составами. В качестве ги-дрофобизующих составов используются эмульсии СДБ, СНВ, ГКЖ-10, ГКЖ-11, КЭ-30-04, КОЖ 136-141. Эффективны гидрофобизующие эмульсии, полу­ченные на основе КОЖ 136-141. Как показали исследования, проведенные автором, величина и интенсивность водопоглощения заполнителей снижается при обработке их КОЖ 136-141 в 1,3-1,6 раза. В литературе ранее имелись противоречивые данные о влиянии гидрофобизации на степень гидратации и плотность в контактной зоне. Выводы трактовались следующим образом. Обработка поверхностей заполнителей гидрофобизующими составами вызы­вает снижение степени гидратации вяжущего и повышение микротвердости в контактной зоне и наоборот. Нами была поставлена задача определения влияния времени выдерживания смесей до формования, величины и кинетики водопоглощения пористых заполнителей, обработанных и необработанных гидрофобизующими составами, за этот период на плотность и степень ги­дратации вяжущего в структурных составляющих бетона, его результирующую прочность. Обработка заполнителей проводилась эмульси­ей КОЖ 136-141.

Было установлено, что существующие противоречия о влиянии ги­дрофобизации пористых заполнителей на количество химически связанной воды и микротвердость в контактной зоне объясняются сопоставлением дан­ных у составов с различным начальным водосодержанием.

Введение углекислого газа в материалы на цементном связующем при­водит, как известно, за счет его взаимодействия с содержащейся в жидкой фазе известью, к образованию карбоната кальция. Кристаллы карбоната кальция в начальной стадии являются зародышами кристаллизации, а затем образуют дополнительную связку, упрочняющую материал. Так как при вы­воде извести из жидкой фазы перенасыщение последней падает, то создаются условия для гидролиза новых порций цемента и процесс гидратации ускоря­ется. Исследованиями Б.В.Осина, С.А.Турия, Л.А.Нечитайло и других пока­зано, что если обеспечить постоянный контакт углекислого газа с цементом, то гидратация всей массы связующего завершается за 1,5-2 часа. В реальных условиях удается закарбонизировать лишь 1-3% цемента и уже только это позволяет достигнуть в течение 5-10 минут прочности материала 2-4 МПа. Кратковременная и неполная карбонизация цементных материалов не пре­пятствует течению их дальнейшей гидратации. Снижение прочности у мате­риалов, прошедших в начальный период карбонизацию, перед материалами обычного твердения в последующие периоды не происходит. Карбонизация

материалов и изделий требует помещения их в герметичное пространство, в котором создается определенное давление углекислого газа, зависящее от проницаемости материала и требуемой полноты обработки. Большинство ис­следователей рекомендуют проводить карбонизацию в период формирования материала. В этот период быстрое изменение удобоукладываемости смесей вследствие их обработки контролируется и не должно приводить к браку. Однако осуществление данного способа требует наличия больших герметич­ных камер, накрывающих периодически посты формирования, что техноло­гически трудно осуществимо.

С целью совершенствования данного технологического направления под руководством автора в Санкт-Петербургском ЗНИИЭП был разработан спо­соб предварительного насыщения пористых заполнителей углекислым газом, предусматривающий выход его в период формирования при нагревании ма­териала [15]. Способ осуществляется следующим образом. В вакуум-камеру или герметичный смеситель загружают отдозированное количество пористо­го заполнителя и создают разрежение в 0,01-0,02 МПа. Вакуумируют запол­нитель в течение 1 минуты, затем подают охлажденный углекислый газ при температуре 0-10 °С в течение 1-2 минут при давлении 0,1 МПа. При этом происходит насыщение пор заполнителя углекислым газом. Затем пористый заполнитель может перемешиваться в смесителях с другими компонентами материалов. Заполнение пор грубозернистых компонентов газом с темпера­турой ниже температуры цемента, воды и мелкого заполнителя создает в про­тивовес градиенту влаги под действием капиллярных сил градиент темпера­тур, препятствующий миграции. Приготовленную смесь подают в предвари­тельно разогретую до ПО °С форму и подогревают в течение 5-10 минут в зависимости от массивности изделий с помощью термоактивного пригруза до 70-85 °С.

При таком форсированном разогреве материала происходит интенсивное выделение из заполнителей углекислого газа и поризация цементно-песчаного раствора. После этого производят кратковременное (в течение 30-40 с) и малоинтенсивное виброуплотнение (амплитуда 0,2 мм, частота 3000 кол/мин), которое приводит к образованию в цементно-песчаном рас­творе замкнутых пор и уплотнению материала.

Прочность материала после карбонизации достаточная для приведения частичной, а при отсутствии необходимости бесконвейерного перемещения изделий и полной распалубки.

С целью снижения водопоглощения пористых заполнителей в процессе приготовления, транспортирования и формования под руководством автора в Средневолжском филиале ЦНИИОМТП был разработан способ, использова­ния для данной цели газообразователей[15]. В соответствии с разработанным способом заполнитель в смесительном барабане предварительно покрывают

смесью алюминиевой пудры и извести-пушонки. Они брались в соотношении 1:4 в количестве, рассчитанном из условия полного химического взаимодей­ствия в присутствии воды. Подготовленный таким образом заполнитель вме­сте с другими компонентами подавался в смеситель.

С момента начала перемешивания твердых компонентов с водой затво­рения на поверхности заполнителей начинается процесс газообразования. Пу­зырьки газа, создавая градиент давления, затрудняют доступ воды к поверх­ности заполнителя. В результате за счет снижения водопоглощения заполни­телей удается уменьшить расчетное водоцементное отношение для обеспече­ния заданной удобоукладываемости.

Необходимо отметить, что сушка заполнителя перед его обработкой не­обязательна, так как сцепление частиц газообразователя с пористой поверх­ностью заполнителя происходит по известным физическим законам.

Количество наносимого на поверхность пористого заполнителя газооб­разователя следует определять как произведение удельной поверхности за­полнителей (0,4-0,8 м²/л), толщины слоя газообразователя (0,05-0,09 мм) и средней насыпной плотности газообразователя (0,85-0,93 г/см³). Поскольку гидроокись кальция вводится в виде гашеной извести, то содержание кальция колеблется. Количество извести следует назначать с учетом примесей в ее со­ставе.

Разработанный технологический прием позволяет снизить требуемое ко­личество воды затворения для обеспечения заданной удобоукладываемости и за счет этого повысить до 35-40% прочность материала. В исследованиях ус­тановлено, что перенос газообразователя из раствора на поверхность запол­нителя не приводит к увеличению средней плотности материала. Очевидно это объясняется равномерным распределением газообразователя по объему и увеличением длительности его действия.

Поскольку данная технология сопровождается поризацией контактной зоны пористых заполнителей, то область ее применения ограничивается теп­лоизоляционными бетонами.

Интенсификацию разогрева материалов предлагается осуществлять пу­тем создания в них электрических цепочек. Под руководством автора в Сред-неволжском филиале ЦНИИОМТП был разработан способ создания электро­проводной поверхности у гранул заполнителей путем нанесения (напыления) на них углеродосодержащего (или иного электропроводного) порошка [15]. Нами предлагается наносить токопроводящий материал на поверхность за­полнителей как в процессе их изготовления - перед обжигом, так и непосред­ственно перед приготовлением смесей в сушильном барабане после кратко­временной сушки в течение 1-3 минут напылением слоя толщиной 0,1-0,15 мм. Такая толщина покрытия, как показали исследования, обеспечивает соз-

дание надежных электрических цепочек, состоящих из зерен заполнителей с электропроводным покрытием.

Температура разогрева заполнителя должна составлять 90-120 °С. В от­дельных случаях для сокращения технологического цикла разогрева она мо­жет быть повышена до 150-180 °С.

Разогрев смесей с использованием, например, электродного прогрева, как показали исследования, требует по сравнению с разработанным способом увеличения продолжительности данного цикла в 2,5-3 раза. Это объясняется значительной величиной электрических цепочек, расположенных по поверх­ности контактирующих заполнителей. Другим преимуществом разработанно­го способа является снижение воды затворения для обеспечения требуемой удобоукладываемости. Данное явление наблюдается как вследствие сокра­щения периода разогрева материала, так и в результате уменьшения водопо-глощения заполнителей из-за создаваемого градиента температур, направ­ленного от их поверхности в растворную составляющую.

Автором совместно с А.Н.Челокиди и А.В.Долбичкиным предложен способ насыщения пористых заполнителей разлагающимися составами [15]. В последующий период продукты разложения выводятся в растворную со­ставляющую. В качестве примера рассмотрим насыщение заполнителей пе­ред перемешиванием с остальными компонентами смеси водным раствором гидропирита. Технологические способы, основанные на применении эффекта разложения гидропирита на воду и кислород (2Н₂О = 2Н₂О + О₂), предусмат­ривают разогрев материала с насыщенными заполнителями в моменты, когда необходимо создать или увеличить водосодержание в окружающем про­странстве. Выделяющийся кислород создает градиент давления из гранул в окружающее пространство и выталкивает из них свободную воду.

Для наибольшего насыщения заполнителей разлагающимися составами их эффективно вакуумировать при давлении 0,01-0,02 МПа.

Концентрация составов насыщения выбирается экспериментально.

Например, для гидропирита установлена оптимальная концентрация в 1-1,5% водного раствора. При концентрации менее 1% не достаточно выде­ляется кислорода для вытеснения воды из пор заполнителя, а при концентра­ции больше 1,5% газовыделение увеличивается сверх оптимального и приво­дит к снижению прочности.

Прочность образцов, полученных из данных составов с обычно введен­ной водой затворения_?при перемешивании без насыщения заполнителей гид­ропиритом на 30-35% ниже, чем по предложенной технологии изготовления.

Вокруг заполнителей, обработанных газообразователями, углеродосо-держащими материалами, подвергнутых вакуумированию и насыщению уг­лекислым газом, водным раствором гидропирита, создаются градиенты дав­ления, влажности и температуры, которые снижают их водопоглощение. Это

позволяет за счет уменьшения водосодержания смесей, необходимого для обеспечения заданной удобоукладываемости, повышать прочность материа­ла. Важным является то обстоятельство, что повышение прочности не сопро­вождается увеличением средней плотности.

В табл. 4.3 приведена краткая сравнительная классификация новых спо­собов обработки пористых заполнителей.

Таблица 4.3

Изменение водопоглощения заполнителей ΔW относительно обычного при применении технологических приемов, время их действия Т

Технологические приемы
Насыщение углекис­лым газом		Покрытие газообра-зователем		Электроприводное покрытие		Насыщение рас­твором гидропирита
ΔW, %	Т, мин	ΔW, %	Т, мин	ΔW, %	Т, мин	ΔW, %	Т, мин
100	5-10	60-80	7-10	100	8-12	60-80	6-10
Дополнительные эффекты
Поризация		Ускоренное твердение				Поризация

Данные табл. 4.3 показывают, что по эффективности воздействия на во-допоглощение заполнителей рассмотренные способы примерно равны. Удо-боукладываемость смеси будет оставаться в допустимых пределах.