Учебное пособие 800523

5)бетон должен отличаться высокой эксплуатационной трещиностойко-

стью, для этого он должен обладать минимально возможной усадочностью и максимально возможной вязкостью разрушения;

6)морозостойкость бетона должна быть на уровне нормируемых для стеновых материалов требований.

При постановке и проведении исследований в факторном пространстве регулирования компонентного состава бетонной смеси варьировались коли-

чественное содержание, химико-минералогический состав и гранулометрия мелко- и микродисперсных наполнителей, вид и дозировки ПАВ, водотвер-

дое отношение (табл. 3). Гранулометрический состав используемых заполнителей и наполнителей варьировался в диапазоне от микродисперсных с Sуд = 300 м2/кг до мелкодисперсных с Мк = 2,3; химический состав изменялся от ультракислых до ультраосновных (по Косн согласно классификации П.И. Бо-

женова). Характеристика сырьевых материалов представлена в табл. 4.

Таблица 3 Характеристика факторного пространства исследований условий получения

поризованных бетонов

21

Таблица 4

Характеристика микро- и мелкодисперсных наполнителей и заполнителей поризованного бетона

В ходе исследований для полученных разновидностей поризованных бетонов произведена комплексная оценка основных конструкционных харак-

теристик: прочности, вязкости разрушения, влажностной усадки, морозостойкости, теплопроводности. При проведении испытаний кубиковая Rm,

призменная Rb прочность, прочность на растяжение Rbt, модуль упругости Еб,

коэффициент теплопроводности , морозостойкость определялись по стан-

дартным методикам; предельная растяжимость, прочность бетона на растя-

жение при изгибе оценивались как по стандартным методикам, так и по результатам испытаний образцов по схеме четырехточечного изгиба; для по-

лучения показателя КIc проводились испытания образцов размером

40 40 160 мм, имевших искусственную трещину – надрез 32 .

Комплексная оценка свойств (табл. 5,6) позволила определить рациональные направления использования исследованных видов мелко- и микро-

дисперсных наполнителей для получения поризованного бетона различной средней плотности и обосновать его рациональные составы.

Установлено, что применение песка естественной гранулометрии с ве-

личиной Мк 1,2, отсевок камнедробления Мк 2,3 представляется возможным и оказывается эффективным для бетона средней плотности 1200...1600 кг/м3. Использование данного вида бетона для несущих и самонесущих конструк-

ций зданий (внутренних несущих стен, перекрытий, перегородок) следует считать рациональным, так как обеспечивает снижение материалоемкости

22

Таблица 5 Показатели свойств мелкозернистого поризованного бетона

Таблица 6 Показатели свойств микрозернистого поризованного бетона

23

несущих конструкций, позволяет использовать местное сырье при мини-

мальных затратах на подготовку сырьевых компонентов.

Использование пылевидных песков представляется допустимым для получения поризованного бетона во всем рассмотренном диапазоне его средней плотности. Применение данного вида бетона можно рассматривать как возможное для всех конструкций малоэтажных зданий.

Важно подчеркнуть, что величина средней плотности 1150-1250 кг/м3

является граничной по возможности и целесообразности использования микродисперсных зернистых включений при получении поризованных бетонов.

Использование микродисперсных наполнителей представляется эффективным для бетона средней плотности 800…1200 кг/м3. При этом наиболее вы-

сокой прочностью обладают бетоны на основе золы-уноса. В первую очередь это может быть обусловлено фактором обеспечения квазиоднородности структуры межпоровых перегородок в силу наименьшего размера включений из всех рассмотренных вариантов.

Для получения бетонов плотностью 800...1000 кг/м3 целесообразно применение микродисперсных техногенных отходов, преимущество исполь-

зования которых в сравнении с молотым песком обусловлено отсутствием необходимости дополнительной их обработки измельчением.

При решении вопросов управления технологией строительных материалов требуется исходить из условий обеспечения рассмотренного комплек-

са строительно-технических свойств не только на момент изготовления, но и на протяжении всего периода эксплуатации в условиях действия комплекса механических нагрузок и физико-климатических факторов. Как известно, долговечность материала, надежность конструкций определяются интенсив-

ностью деструктивных процессов в материале, происходящих от их суммарного действия. Среди них для поризованных бетонов наиболее значимыми оказываются влажностные воздействия, так как именно от них зависит проявление практически всех конструкционных свойств – прочности, деформа-

тивности, морозостойкости, теплопроводности, среди которых критическими для долговечности являются влажностная усадка и морозостойкость.

24

2.2. Механизм влияния влажностного состояния

на проявление конструкционных свойств

композиционных строительных материалов

При изменении влажностного состояния проявление конструкционных свойств материала как структурированной системы определяются количественным содержанием и соотношением различных видов воды в его структу-

ре. Общая физическая и химическая природа влияния находящейся в структуре твердого тела воды на его свойства понимается как результат склады-

вающегося в ней баланса внутренних сил, параметры которого определяются соответственно формой и энергией связи воды.

Дисперсным капиллярно-пористым системам (согласно П.А. Ребиндеру) присущи различающиеся по природе и энергии формы связи структуры с

водой 28 :

химическая (связь в точных количественных соотношениях), обуслов-

ленная электростатическими силами взаимодействия (первичными и вторичными валентностями ионов);

физико-химическая (связь в различных нестрого определенных соотношениях), определяемая молекулярным силовым полем поверхности твердой фазы;

физико-механическая (связь в неопределенных соотношениях), обу-

словленная наличием капиллярного давления, поверхностным натяжением жидкости, а также механическим удерживанием в поровой струк-

туре.

Для строительных материалов эти формы связи воды реализуются в следующих ее видах:

1) кристаллической (конституционной), входящей в структуру решеток различных кристаллогидратов в форме ОН-групп с энергией связи Есв = 600 - 800 кДж/моль; гидратной и межслоевой (в пакетах кристаллов) в виде моле-

кулярной воды, "связанной" координационно-ненасыщенными атомами и ионами кристаллической решетки минералов (Есв = 400-600 кДж/моль);

2) адсорбционной, образующейся за счет адсорбционного "притяжения" молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов.

Среди нее выделяются две разновидности: с наибольшей энергией притяжения к поверхности (около 40 - 120 кДж/моль) - вода мономолекулярной ад-

25

сорбции и с меньшей энергией связи (≈40 кДж/моль) - вода полимолекуляр-

ной адсорбции; 3) капиллярно-конденсированной (Есв = 0,5-40 кДж/моль) и капиллярно-

насыщенной (Есв = 0,05-0,5 кДж/моль), удерживаемой в строительных материалах капиллярными силами водных менисков;

4) макропоровой свободной; в строительных материалах она делится на два вида: воду условно-замкнутую в крупных порах (она не участвует в про-

цессах фильтрации) и фильтрационную свободную воду.

Таким образом, энергия связи видов воды со структурой изменяется в диапазоне от 0,05 до 800 кДж/моль в зависимости от вещественного состава и других характеристик структурных составляющих материала, ответствен-

ных за реализацию той или иной формы их взаимодействия с водой. Модифицирование структуры твердой фазы и порового пространства материала является прямым средством регулирования сил его взаимодействия с водой. Происходящее при эксплуатации изменение содержания различных видов воды в структуре материала закономерно приводит к нарушению баланса сил и, как следствие, к непрерывной трансформации конструкционных ха-

рактеристик и свойств, мера чего, в свою очередь, определяется характеристиками структуры материала. Физико-химическая природа влияния влаж-

ностного состояния на свойства строительных материалов - показатели сопротивления разрушению, объемные деформации набухания-усадки, тепло-

проводность, морозостойкость и др. - должна поэтому раскрываться с учетом меняющегося и складывающегося баланса сил связи видов воды со структу-

рой материала.

Влияние влажностного состояния на показатели сопротивления

материала разрушению рассматривается в рамках действия эффекта Ребиндера, в соответствии с которым понижение прочности увлажненных твердых тел термодинамически обусловлено уменьшением работы образования новой поверхности при их деформации и разрушении вследствие понижения запаса свободной поверхностной энергии твёрдого тела в процессе адсорбции жидкой фазы. Молекулярная природа эффекта состоит в облегчении раз-

рыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твёрдом теле в присутствии адсорбционно-активных инородных молекул (ато-

мов, ионов).

Адсорбционное понижение прочности определяется тремя группами факторов 33,34 :

26

1)химическим сродством газовой и жидкой фазы среды и материала;

2)неоднородностью (дефектностью) структуры материала;

3)условиями деформирования и разрушения материала.

Факторы первой и второй группы соотносятся с механизмом зарождения трещины, а факторы третьей группы - с зависимостью скорости ее роста в присутствии адсорбционно-активной среды от вида, скорости приложения механических нагрузок и механизма распространения жидкой фазы в струк-

туре твердого тела.

Факторы первой группы определяют характер взаимодействий между молекулами (атомами) жидкой и твердой фазы в поверхности раздела этих фаз. Как было отмечено Ребиндером, наибольшее понижение прочности твердого тела имеет место при его контакте с жидкой средой, близкой деформируемому телу по характеру межатомных взаимодействий. Это обу-

словлено тем, что процессы, лимитирующие адсорбционное понижение прочности, локализованы не в объеме жидкой фазы, а вблизи фронта расту-

щей трещины. Роль же жидкой фазы как адсорбционно-активного компонента подобных систем определяется гидролитической стимуляцией тер-

мофлуктуцонных актов (по Журкову) разрыва межатомных связей, активируемого приложенными напряжениями.

Это условие, по-видимому, выполняются для большинства неорганических строительных материалов при их взаимодействии с водой. При всем разнообразии их состава и структур они всегда образованы полярными веществами, содержащими в основном связи Si—О и связи Ме-О, которые в той или иной степени подвержены гидролитическому расщеплению. Эти связи играют различную по их вкладу роль при разрушении в связи с тем, что гид-

ролиз кремнекислородных связей более затруднен по сравнению с гидролизом полярных связей катион — кислород.

Роль факторов второй группы определяется такими особенностями структуры материала, как неоднородность, дефектность, мера которых зави-

сит от количественных и качественных характеристик зернистых включений, пор, наличия и размера зародышевых микротрещин и т. п. Следует под-

черкнуть, что адсорбционно-активная среда сама по себе не создает дефектов в теле, она лишь облегчает их развитие. В строительных материалах дефек-

ты, зародышевые микротрещины с «длиной Гриффитса» l Е/P2 , как правило, находятся изначально. Кроме того, роль дефектов выполняют поры, ослабленные границы между частицами разных фаз, а также другие микро- и

27

макронеоднородности. Влияние структурных элементов твердого тела на ин-

тенсивность адсорбционного действия среды заключается в том, что они обладают избыточной свободной энергией, проявляющейся в виде энергии кон-

тактной зоны, энергии порового пространства. Наличие такого связанного с дефектами и неоднородностью структуры запаса энергии в деформируемом твердом теле приводит к тому, что в присутствии адсорбционно-активной среды трещинам разрушения оказывается термодинамически более выгод-

ным развиваться вдоль границ контактов и по разделу фаз.

По Гриффитсу, подрастание имеющейся в материале зародышевой трещины (дефекта) оказывается возможным лишь в том случае, когда энергия внешних сил, затрачиваемая на ее продвижение, будет по крайней мере равной соответствующему приращению поверхностной энергии тела за счет образования поверхности разрушения:

где Р0 – разрушающее напряжение; - удельная поверхностная энер-

гия; Е – модуль упругости; l - длина зародышевой трещины.

Из соотношения Гриффитса следует, что сопротивление разрушению может изменяться, в частности, когда изменяется величина удельной поверх-

ностной энергии твердой фазы . А это становится возможным при адсорб-

ционном взаимодействии твердой фазы с газовой и жидкой фазой эксплуата-

ционной среды. Понижение величины поверхностной энергии твердого тела происходит не только при адсорбции паров. В такой же или еще в большей мере оно наблюдается и при капиллярной конденсации с непрерывным переходом к контакту твердого тела с объемной жидкой фазой.

Итак, эффекты снижения прочности твердых тел в результате понижения их поверхностной энергии при контакте с жидкой фазой также включа-

ются в обобщенный механизм адсорбционного понижения сопротивления разрушению.

Влияние факторов третьей группы (условий деформирования и разрушения твердого тела) на проявление эффекта Ребиндера связано с законо-

мерностями процессов распространения жидкой фазы от основания трещины к ее вершине. Именно эти процессы обеспечивают проникновение ато-

мов (или молекул) жидкой фазы к новой поверхности, возникающей в твер-

28

дом теле при его деформации и разрушении, адсорбцию этих атомов (или молекул) на новой поверхности непосредственно в момент ее образования.

Распространение жидкости осуществляется по механизмам 29 : капилляр-

ного течения жидкости внутри трещины, растекания жидкости по поверхности трещины, поверхностной диффузии монослоев в непосредственной бли-

зости от вершины трещины, нерегулярной диффузии по различным дефектам структуры в зоне предразрушения. Анализ данных механизмов показывает,

что трещина может расти лишь по мере распространения жидкой фазы вдоль ее стенок к вершине, так как разрушение материала происходит по мере про-

никновения жидкости в зону предразрушения. При этом если материал находится под действием напряжений, достаточных для роста трещины в присут-

ствии жидкой среды, то остановка развития трещины и прекращение ее роста могут произойти только из-за прекращения подачи жидкости в вершину трещины. Внешние воздействия среды (температура, скорость нагружения, характер приложенных напряжений) способствуют усилению эффектов по-

нижения прочности в том случае, если они вызывают ускорение распространения жидкой фазы в структуре материала. Интенсивность распространения жидкости определяется следующими параметрами среды и материала: вязкостью жидкой фазы, которая зависит от температуры и энергии связи с твердой поверхностью; количеством жидкости и условиями смачивания поверхности, микрорельефом поверхности, от которых зависят капиллярное те-

чение жидкости в трещине и растекание фазовой пленки по ее стенкам. Эффект понижения прочности должен усиливаться при повышении температу-

ры и влажности материала, так как при прочих равных условиях нагревание обеспечивает снижение вязкости жидкой фазы, облегчение условий смачива-

ния, а повышение влагосодержания способствует быстрому заполнению всей полости образующейся трещины и проникновению жидкости к поверхности разрушения именно в момент ее образования. Наряду с этим более опасным можно считать действие статической нагрузки по сравнению с динамиче-

ской, так как при высокой скорости нагружения скорость роста трещины значительно превышает скорость распространения жидкости по поверхности твердой фазы и в объеме трещины.

Из всего сказанного следует вывод, что вода выступает в качестве активного участника процессов разрушения строительных материалов во всем диапазоне их влажностных состояний – от малоувлажненного до водонасыщенного. Управляющее воздействие на эффект снижения показателей сопро-

29

тивления разрушению материалов во влажном состоянии может достигаться посредством модифицирования следующих структурных их характеристик:

объема, площади поверхности и удельной поверхностной энергии твердой фазы (определяется химико-минералогическим составом; морфологией и дисперсностью структурных элементов);

объемной доли пор и распределения их по размерам, краевого угла смачивания жидкостью поверхности твердой фазы.

Механизм влажностных деформаций набухания-усадки может рас-

сматриваться в рамках представлений о том, что их проявление предопределяется изменением напряженного состояния материала, изменением его объема вследствие высвобождения сил, участвующих в связи твердой фазы и порового пространства с жидкой фазой. При увлажнении-обезвоживании материала проявляется действие:

а) капиллярных сил и сил поверхностного натяжения, если изменяется содержание капиллярно- и адсорбционно связанной воды;

б) сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц, сил внутренних связей в кристаллогидратах, если изменяется содержание межслоевой, гидратной и межкристаллической воды;

в) сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию силами поверхностного натяжения при полном обезвоживании на фоне одновременно протекающих релаксационных процессов в ней. В итоге величина влажностных деформаций на различных стадиях увлажнения-обезвоживания оказывается функцией (рис. 3) равнодействующей этих сил.

Мера этих сил в материале принимается и считается зависящей от его состава и структуры, чем собственно и обусловливается возможное содержание в материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой. Проявление же действия этих сил зависит от степени увлажнения-обезвоживания и соответственно вида удаляемой или поглощаемой воды. В отношении влажностной усадки данное положение может иллюстрироваться типовой кривой (по А.Е. Шейкину 37 ) деформаций цементного камня в условиях квазистатического его обезвоживания (рис. 4). Характер такой кривой принципиально изменяется в зависимости от параметров структуры строительных материалов (рис. 5). Регулирование баланса сил и управление величиной возможной влажностной усадки материала может достигаться посредством изменения количественных и качественных характеристик состава и структуры, влияющих на усадку, согласно общей зависимости

30