Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические и технологические основы производства и применения дорожно-строительных материалов.pdf
101
личным проблемам проектирования и производства железобетонных конструкций, научно-исследовательский институт по бетону и железобетону (НИИ железобетон), ведущий работы по
заводскому производству сборного железобетона, многие кафедры и лаборатории вузов и ряд отраслевых научноисследовательских институтов и лабораторий [53].
Разработаны нормы и правила проектирования бетонных дорожных одежд по разным технологиям: с изготовлением рельсформ, машин со скользящей опалубкой и по технологии укатываемого бетона [54, 55, 56, 57, 58].
Используются комплексные химические добавки отечественного производства, позволяющие производить бетон модифицированной структуры, включающие систему воздушных условнозамкнутых пор размером 50…250 мкм и объемом 3…7% [58, 59].
Предложены различные виды бетонов модифицированной структуры для дорожного строительства, например, выпускаются бетоны повышенной удобоукладываемости, малощебеночные, мелкозернистые (песчаные) и другие бетоны [61-68, 94]. Однако изготовление дорожных плит по технологии модифицированной
структуры требует дополнительных средств на оборудование для
точной дозировки химических добавок и как следствие этого –
повышения стоимости плит [53, 70].
8.2. Физико-химические основы производства и применения ЦБС и ЖБИ
Структура бетона образуется в результате затвердевания
(схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают гид-
ратация цемента, его схватывание и твердение.
102
По современным воззрениям, в начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гидролиза трехкальциевого
силиката выделяется гидроксид кальция, образуя пересыщенный
раствор. В этом растворе находятся ионы сульфата, гидроксида и
щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и
железа. Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов
наблюдается непродолжительное время после затворения цемента водой, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования – гидроксид кальция и
эттрингит.
Приблизительно через час наступает вторая стадия гидра-
тации, для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция. Вследствие того, что в реакции принимают
участие лишь поверхностные слои зерен цемента, размер зерен
цемента уменьшается незначительно. Вновь образующиеся гидратные фазы, получившие название цементного геля, характеризуются очень тонкой гранулометрией.
Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2...6 ч. Вторую стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым, или
индукционным периодом» гидратации цемента.
В течение скрытого периода цементное тесто представляет
собой плотную суспензию, стабилизированную действием флокулообразующих сил. Однако силы притяжения между цементными частицами в воде относительно слабы, что может быть
объяснено следующим образом.
Покрытые гелем зерна цемента образуют вокруг себя сольватный слой и имеют положительный – потенциал. Совмест-
103
ное действие сольватного слоя и электрического заряда препятствует непосредственному контакту между соприкасающимися
зернами. Вместе с тем эти зерна испытывают межчастичное притяжение, по крайней мере, на некоторых пограничных участках.
Силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на некотором расстоянии от поверхности раздела, где потенциальная энергия частиц минимальна. Цементное тесто под действием этих сил
приобретает связанность и подвижность.
В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно
понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате происходит разрушение гелевых оболочек, облегчается
доступ воды в глубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента.
Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации гидроксида кальция из раствора. Этот процесс происходит очень интенсивно.
Так как на данном этапе количество гидратных фаз относительно мало, то в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок гидроксида кальция и
гидросиликатов кальция и эттрингита в виде длинных волокон,
которые образуются одновременно.
Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их
на более мелкие и создают пространственную связь, усиливая
сцепления между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают
непосредственные контакты, число которых увеличивается – це-
104
ментное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный
камень.
Образовавшаяся жесткая структура сначала является очень
рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой
порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные
фазы. Объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в
сплошной цементный гель, с включением непрореагировавших
центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.
Схематически процесс преобразований, происходящих в системе цемент-вода в процессе гидратации цемента, показан на
рис. 8.1 [53].
Цементный камень, каменные материалы (песок, гравий, щебень), контакты между этими материалами необходимо рассматривать как части бетона (раствора), качество которого определяется их структурой. Это структурные составляющие бетона (раствора). Совокупность данных структур образует текстуру бето-
на (раствора).
Изменение качества любой составной части бетона (раствора), т. е. структуры (например, глубины гидратации цемента, величины прослоек цементного камня и др.), может изменить качество бетона, что отразится и на его текстуре.
Можно привести многочисленные примеры одной и той же
прочности бетонов (растворов), которые имеют большое разнообразие по морозостойкости, сульфатостойкости, водонепроницаемости и другим свойствам. Это связано с тем, что бетон состоит из материалов с различными структурами [2, 58].
105
Рис. 8.1. Схема процесса преобразований в структуре цементного теста
и камня при гидратации цемента: а – цементные зерна в воде (начальный
период гидратации); б – образование гелевой оболочки на цементных
зернах (скрытый период гидратации); в – вторичный рост гелевой
оболочки после осмотического разрушения первоначальной оболочки,
образование волнистых и столбчатых структур на поверхности зерен
и в порах цементного камня (третий период гидратации); г – уплотнение
структуры цементного камня при последующей гидратации цемента
На рис. 8.2 представлена элементарная ячейка бетона.
Наглядно показана неоднородность структуры, включающей
плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные
зоны, пустоты. Неоднородность структуры обусловливает неоднородность прочности бетона по объему.
Бетоны широко используют для дорожных и аэродромных
покрытий. Широкое применение бетона объясняется тем, что из-
106
делию из него можно придавать требуемые свойства, размеры,
вид поверхности; бетонные работы можно выполнять в короткие
сроки и в любое время года. Выбирая составляющие и применяя
рациональную технологию производства бетонных смесей, можно регулировать в широких пределах качества бетона [53].
Рис. 8.2. Элементарная ячейка структуры бетона: 1 – зерна заполнителя;
2 – контактная зона; 3 – зона ослабленной структуры вследствие
седиментации; 4 – воздушные пузырьки; 5 – зона уплотнений структуры;
6 – крупные седиментационные поры
Вместе с тем бетон имеет и недостатки, главнейшим из которых является сравнительно малая прочность при изгибе (растяжении).
Для устранения указанного недостатка в бетонные элементы
при необходимости вводят металлические стержни, сетки (арматуру).
Вследствие длительного твердения бетонов конструкции из
них нельзя вводить в эксплуатацию непосредственно после
107
укладки смеси; за твердеющим бетоном необходим тщательный
уход [71].
Свойства бетонов определяются качеством составляющих и в
значительной степени их структурой (строением). Структура бетона определяется крупностью, гранулометрическим составом,
формой зерен и количественным соотношением его компонентов,
их взаиморасположением и структурными связями, а также наличием пор и дефектов [76]. Это является причиной возникновения
в бетоне внутренних напряжений с высокой степенью концентрации на границах раздела фаз, что существенно влияет на его механические свойства [2, 58].
Для установления основных закономерностей влияния структуры на свойства бетонов целесообразно выделить следующие ее
разновидности: макроструктуру, которая определяется крупной
составляющей – щебнем (гравием) и строительным раствором
(смесью песка, цемента и воды); мезоструктуру, которая формируется песком и затвердевшим цементом; микроструктуру – цементным камнем.
При постепенном насыщении макроструктуры щебнем до
состояния взаимного контактирования зерен создается поровая
структура, при которой образуется компактный щебенистый
каркас, способный воспринимать значительные внешние усилия. При дальнейшем увеличении содержания щебня возникает
контактная макроструктура, характерная для крупнопористых
бетонов.
Микроструктура цементного камня представляет собой неоднородную капиллярно-пористую коагуляционно-кристаллическую
структуру, образующуюся в результате взаимодействия цемента с
водой.
Свойства микроструктуры зависят от минералогического состава цементного клинкера, добавок, тонкости помола цемента,
108
количества воды затворения, условий твердения и пр. Рациональное сочетание указанных факторов позволяет регулировать формирование микроструктуры цементного камня, придавать ему
определенные свойства [2, 58].
8.3. Физико-химические основы производства
и применения ЦБС непрерывного вакуумирования
При исследовании процесса формирования структуры бетона,
уплотняемого непрерывным вакуумным прессованием, бетонная
смесь и бетон, набираемый прочность, рассматривается как закрытая термодинамическая система, характеризуемая химическим
и термодинамическим потенциалами, благодаря которым проте-
кают химические изотермические процессы и массообмен. Процессы имеют взаимную связь и влияют на набор прочности бетона посредством формирования кристаллической структуры [59,
72, 73].
Оба потенциала связаны между собой. Первый из них является термодинамической функцией состояния бетонной смеси,
определяющей изменение термодинамических потенциалов при
кристаллизации и агрегатировании частиц в бетонной смеси, зависит от давления, температуры и концентрации жидкости в цементном растворе. Его величины можно использовать в качестве
независимых термодинамических переменных [74].
Термодинамический потенциал характеризует состояние термодинамической системы в переменных температуры, плотности
и химического потенциала, представляет собой разницу между
свободной энергией и химическим потенциалом. Благодаря этому
химический потенциал позволяет сформулировать условия тер-
модинамического равновесия. Одно из условий состоит в том, что
химический потенциал любого активного компонента бетонной
109
смеси одинаков в различных фазах и в разных местах одной фазы. Это обусловлено возможностью перераспределения частиц,
приводящего к выравниванию химического потенциала.
Равенство значений химического потенциала для частиц одного компонента, находящихся в разных фазах, определяет условия равновесия при фазовых переходах и химических реакциях
(закон действия масс), ионизированное равновесие, определяющее состояние бетонной смеси (законы Вант Гоффа, Генри, Рауля и др.).
В закрытой термодинамической системе без вакуумирования
затруднен переход газа в атмосферу, в связи с этим нарушается
постоянство химического потенциала и в системе возникает осмотическое давление, которое способствует увеличению размеров пор в бетоне (снижению плотности) [75].
Благодаря снижению атмосферного давления в бетонной смеси путем удаления воздуха и газа сохраняется постоянство химического потенциала на заданном уровне. В процессе прессования
за счет химического потенциала осуществляются гетерогенные
химические реакции с участием минимум трех фаз: твердой,
жидкой и газообразной.
Особенности гетерогенной реакции обусловлены участием в
ней конденсированных фаз (это затрудняет перемещение и перемешивание реагентов и продуктов химических реакций) и возможностью активизации молекул реагентов на поверхности раздела фаз [76].
Кинетика реакции определяется как скоростью самого химического превращения, так и процессом переноса (диффузией),
необходимой для восполнения расхода реагирующих веществ и
удаления из реакционной зоны продуктов реакции.
В отсутствие диффузионных затруднений скорость гетерогенных реакций пропорциональна размерам реакционной зоны;
110
так называемая удельная скорость реакции, рассчитанная на единицу поверхности (или объема) реакционной зоны, не изменяется
во времени. Для простых (одностадийных) реакций она может
быть определена на основе закона действующих масс [76, 77].
Данный закон не выполняется, если диффузия веществ протекает медленнее, чем химическая реакция. В этом случае
наблюдается скорость гетерогенных реакций, которая описывается уравнениями диффузионной кинетики.
При гетерогенных реакциях в бетоне, как правило, участвуют
несколько твердых реагентов, и при этом образуется твердофазный продукт. Такие реакции часто локализованы на поверхности
раздела фаз или в поверхностном слое и обычно протекают не
стационарно. Они характеризуются периодом индукции, в течение которого возникают зародыши (ядра) новой фазы. Их образования связаны с перестройкой атомной структуры твердого реагента и требуют затраты энергии. Поэтому такие гетерогенные
реакции чувствительны ко всем нарушениям структуры, облегчающим образование зародышей, и могут быть активизированы
термическими, радиационными, механическими и другими воздействиями, уменьшающими свободный пробег молекул.
Кинетическое уравнение реакции в этом случае отражает изменения во времени не только концентрации реагирующих веществ, но и поверхности раздела твердых фаз реагента и зародышей кристалла бетона. По мере роста зародышей поверхность
раздела увеличивается, и скорость реакции сначала возрастает,
затем проходит через максимум и снижается вследствие соприкосновения растущих зародышей и образования сплошного слоя
бетона.
При прессовании бетона повышается активность фаз благодаря уменьшению свободного пробега молекулы и ускоренному