Методическое пособие 720

HO CH2 CH2 О H x

Рис. 3.5. Структурная формула молекулы полиэтиленгликоля (ПЭГ)

Минеральными компонентами являлись местные доступные материалы для условий Воронежской области природного и техногенного происхождения: молотый кварцевый песок, молотый гранулированный шлак Липецкого металлургического комбината, молотый известняк Елецкого карьера, золошлаковые отходы ТЭЦ – 1 г. Воронежа с удельной площадью поверхности 300, 500 и 700 м2/кг. Химический состав используемых минеральных компонентов представлен в табл. 3.4 – 3.7.

Таблица 3.4

Химический состав кварцевого песка

Содержание оксидов, масс. %

Таблица 3.5

Химический состав гранулированного шлака Липецкого металлургического комбината

51

Для сравнительных оценок применялись микрокремнезем и биокремнезем, химический и фракционный состав, которых приведен в табл. 3.8 - 3.10. Микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ) насыпной плотностью 470 кг/м3, удельной площадью поверхности 12000 м2/кг Хохольского завода сухих смесей. Микрокремнезем соответствует требованиям ТУ 5743-048-02495332-96. Биокремнезем представляет собой тонкодисперсный диоксид кремния биогенного происхождения, получаемый в результате специальной комбинированной активации природного диатомита. Насыпная плотность 300 кг/м3; удельная площадь поверхности 20000 м2/кг; цвет – светлооранжевый.

Также использовался комплексный модификатор полифункционального действия «Модификатор бетона марки МБ-01», соответствующий требованиям ТУ 5743-02595332-96, и комплексная органоминеральная добавка Полипласт-3МБ, соответствующая ТУ 5745-013-58042865-06.

Таблица 3.8

Химический состав микрокремнезема (по данным поставщика)

52

3.3. Методы исследований

3.3.1. Стандартные методы исследования свойств сырьевых материалов

Нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста определяли с помощью прибора Вика по ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема». Марку цемента определяли по ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» и ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка». Удельную площадь поверхности цементов и исследуемых минеральных компонентов измеряли согласно ГОСТ 310.2-76 «Цементы. Методы определения тонкости помола» на приборе ПСХ-2, работающего по принципу воздухопроницаемости. Основные характеристики песка определяли по ГОСТ 8735-93 «Песок для строительных работ. Методы испытаний». Характеристики щебня определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленности для строительных работ. Методы физикомеханических испытаний». Эффективность пластифицирующих добавок оценивалась по ГОСТ 30459-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности».

3.3.2. Метод исследований процессов адсорбции ПАВ на поверхности минеральных компонентов

Для изучения процессов адсорбции, а также выяснения структуры образующихся адсорбционных слоев исследовали изотермы адсорбции ПАВ на поверхности минеральных компонентов различной природы. Для получения изотерм адсорбции готовили серию водных растворов ПАВ с разной концентрацией. В равные объемы приготовленных растворов вносили одинаковую навеску адсорбента (минерального компонента) и выдерживали полученную смесь при постоянном перемешивании до установления адсорбционного равновесия. Затем растворы отфильтровывали и определяли их оптическую плотность. Содержание ПАВ на поверхности минерального компонента определяли спектральным методом по изменению концентрации растворов до и после адсорбции [135]. Равновесную концентрацию раствора определяли на основании предварительно построенной графической зависимости (калибровочного графика) оптической плотности раствора (Р) от концентрации (С). Графики Р = f (C) строили по трем сериям калибровочных растворов. Оптическую плотность растворов определяли на фотоэлектрическом фотометре КФК – 3. Количество адсорбированной добавки ПАВ на единицу поверхности адсорбента (в г/см2) рассчитывали по формуле

53

где Г* - количество вещества, поглощѐнного единицей массы адсорбента, г/г; S – удельная площадь поверхности адсорбента, см2/г.

Количество вещества поглощенного единицей массы адсорбента, рассчитывали по формуле

бавки в воде соответственно, г/мл; V – объем раствора, мл; m - масса носителя, г.

Полученные данные использовали для построения изотерм адсорбции (количество адсорбированного вещества от равновесной концентрации раствора).

3.3.3. Методы определения реологических и виброреологических свойств минеральных паст, цементного теста и бетонных смесей

Определение реологических свойств минеральных паст, цементного теста и мелкозернистых бетонных смесей осуществлялось с помощью ротационной вискозиметрии на приборах РВ-4 и VB-2000 (рис. 3.6). Принцип работы вискозиметра РВ-4 (рис. 3.7) основан на измерении скорости вращения наружного цилиндра при неподвижном внутреннем цилиндре под действием груза определенной величины. Перед проведением испытания оценивалась величина нагрузки холостого хода прибора.

Ротационный вискозиметр VB-2000 (рис. 3.6, а) позволяет проводить сравнительные измерения реологических свойств в соответствии с признанными стандартами в лабораториях контроля качества. Программное обеспечение, входящее в комплект прибора, позволяет производить сбор данных непосредственно с вискозиметра.

Рис. 3.6. Общий вид ротационных вискозиметровVB-2000 (а) и РВ-4 (б)

54

Рис. 3.7. Схема ротационного вискозиметра РВ-4:

1 – наружный цилиндр; 2 – внутренний цилиндр; 3 – барабан; 4 – тормозное приспособление; 5 – ролик; h – глубина погружения внутреннего цилиндра

Для сравнительного анализа реологические свойства определялись с помощью вискозиметра Суттарда и стандартного конуса (ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний»).

Виброреологические свойства бетонных смесей определялись на установке, разработанной в Воронежском ГАСУ (рис. 3.8), позволяющей автоматически управлять режимом работы и обеспечивать заданный резонансный режим в процессе уплотнения. Величины амплитуд ускорений колебаний и смещений регистрировались виброизмерительной аппаратурой и осциллографом, частоты колебаний – цифровым частотомером; величины затрачиваемой мощности регистрировались ваттметром.

Рис. 3.8. Автоматизированная резонансная виброплощадка, используемая для определения виброреологических свойств бетонных смесей

55

3.3.4. Методы исследований микрореологических свойств обводненных дисперсно-зернистых систем с учетом фрактально-кластерных проявлений

Для количественной оценки структурно-реологических характеристик обводненных дисперсно-зернистых систем на микроуровне использовались следующие показатели: фрактальная размерность D; объемная концентрация твердой фазы φ; критическая концентрация кластеров φ*, которые определялись по экспериментальным зависимостям «напряжение-деформация» и с помощью математического моделирования, с использованием программы Maple. Для расчетов применялась математическая модель, которая имеет вид

где ηА(φ,τ) – эффективная вязкость системы; η0 – вязкость несущей жидкой фазы; φ – объемная концентрация твердой фазы; φА – эффективная концентрация кластеров; φ* - критическая концентрация кластеров, соответствующая предельному напряжению сдвига; τ* - предельное напряжение сдвига, при котором происходит разрушение кластеров; τ – напряжение сдвига; D – показатель фрактальной размерности.

Показатели D и φ* определялись путем решения обратной задачи, осуществляемой с помощью модели (3.3) и экспериментальной зависимости (3.4), полученной методом ротационной вискозиметрии, связывающей параметры вязкости системы η и напряжение сдвига τ.

С помощью математической программы Maple определялись показатели D и φ*, строилась графическая зависимость, которая должна совпадать с экспериментальной (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Реологические кривые, построенные с помощью программы Маple:

1 – экспериментальная; 2 – построенная на основе решения математического уравнения;

η– эффективная вязкость системы; η* – вязкость несущей жидкой фазы;

τ– напряжение сдвига; τ* – предельное напряжение сдвига

56

Исследования микроструктуры цементного камня проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM – 6380 LV (рис. 3.12), позволяющем получать изображения образца с разрешением около 1 микрометра.

Рис. 3.11. Схема прибора: 1 – источник света (светодиод); 2 –планшет; 3 – исследуемая система; 4 – микроскоп; 5 – цифровой фотоаппарат; 6 – персональный компьютер

Рис. 3.12. Внешний вид сканирующего электронного микроскопа JSM – 6380 LV

Исследования свойств поверхности тонкодисперсных минеральных компонентов, а также свойств «срезов» поверхности цементного камня, модифицированного различными видами ОМД, проводились с помощью атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator, который предназначен для визуализации, диагностики и модифицирования вещества с микро- и наноразмерным уровнем пространственного разрешения (рис. 3.13). Комплекс NanoEducator состоит из измерительной головки сканирующего зондового микроскопа, электронного блока, видеокамеры, соединительных кабелей, управляющего компьютера, устройства для травления зондов, а также набора тестовых образцов, расходных материалов и инструментов. Используется программное обеспечение Mac OS X. Основные характеристики СЗМ

NanoEducator представлены в табл. 3.11.

58

Рис. 3.13. Внешний вид установки (а) и измерительной головки (б) сканирующего зондового микроскопа NanoEducator

3.3.7. Методы определения основных свойств бетонных смесей и физико-механических характеристик бетонов

Свойства бетонных смесей, такие как удобоукладываемость, средняя плотность, расслаиваемость, сохраняемость свойств во времени, определялись по ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний».

Контроль прочности образцов на сжатие производился по ГОСТ 18105-86 «Бетоны. Правила контроля прочности». Среднюю плотность бетонных образцов определяли согласно ГОСТ 5802-86 и ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Метод определения плотности».

Степень уплотнения (коэффициент уплотнения) бетонной смеси определялась двумя методами. По первому методу отформованные образцы взвеши-

59

вались, определялся их объем и рассчитыва лся коэффициент уплотнения по формуле

ство содержащегося в бетонном образце вовлеченного воздуха. К о- эффициент уплотнения о пределялся по формуле

,

(3.6)

где Vб – объем отформованного бетона, см 3 ; Vв . в – объем вовлеченного воздуха в отформованном бетон е, см3 .

Водопоглощение бетона определяли по ГОСТ 12730.3 -78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения».

Испытание бетона на истираемость проводили согласно треб о- ваниям ГОСТ 13087 -81 «Бетоны. Методы определения истираем о-

ГОСТ 10060.0-95 «Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования» и ГОСТ 10060.4 -95 «Бетоны. Структурно -

ГОСТ 12730.5 – 84 «Бетоны. Методы определения водонепроница е- мости».

Оценка достоверности полученных результатов проводилась по величинам средних значений и коэффициента вариации.

60