CC BY
17Шахова Л.Д., д-р техн. наук Бурдюгов А.В., Палалане Ж.А., аспиранты Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕНОБЕТОНА НА РАННИХ СТАДИЯХ
Burdugov@mail.ru
В статье описаны причины образования деформаций в пенобетоне на ранних стадиях производства.
Ключевые слова: пенобетон, деформации, производство, стадии твердения
На данном этапе развития производства пе-нобетонных изделий в России остается не решенной проблема высоких усадочных деформаций и низкой трещиностойкости готовых изделий. Как показал анализ литературных источников, причины трещинообразования в пенобето-нах в результате усадочных деформаций еще не достаточно изучены. Как правило, в литературе большое внимание уделяется только усадочным а)
явлениям пенобетона, возникающим в процессе эксплуатации. Причем анализ деформаций ведется с точки зрения тяжелых бетонов без учета особенностей пористой структуры пенобетона и технологии его изготовления. Как показывает практика производства, деформационные трещины могут возникать еще до того, как пенобе-тонные изделия станут работать в строительных конструкциях (рис.1). б)
Рис. 1. -Деформационные явления в пенобетонных блоках: а) через 12 часов и б) через 7 дней после изготовления (фото пенобетонных блоков на складе)
Целью данной работы явилось изучение деформационных напряжений, возникающих в пенобетоне на ранней стадии (до 1 месяца).
По аналогии с классификационными признаками, предложенными А.И. Панченко для тяжелых бетонов [1], деформационные явления пенобетона классифицированы на собственные безусловные и собственные вынужденные.
Собственные безусловные - это деформации, причинами появления которых являются физико-химические процессы формирования пористой структуры вначале пенобетонной смеси, затем пенобетона, вплоть до окончания процесса гидратации цемента.
Влажностная усадка, деформации фазового перехода и температурные деформации отнесены автором [1], к собственным вынужденным,
так как они проявляются только при определенном воздействии на материал окружающей среды.
При исследовании причин возникновения собственных вынужденных деформаций вследствие массо- и теплообмена с окружающей средой был использован системно-структурный методологический подход, заключающийся в раскрытии целостности объекта и обеспечивающих ее механизмов; выявлении многообразных типов связей сложного объекта; сведение этих связей в единую теоретическую картину. На первом этапе исследований сложных систем был проведен декомпозиционный анализ системы с целью, описания воздействующих факторов, тенденций развития и неопределенностей различного рода, результаты анализа представ-
лены на рис.2. В процессе декомпозиции установлено, что протекающие при формировании структуры пенобетонов процессы чрезвычайно сложны и определяются в первую очередь процессами, протекающими на границах раздела фаз и равновесным состоянием в данный момент.
Согласно теории И. Пригожина [2] изменение энтропии системы как меры ее состояния складывается из двух слагаемых:
dS = + diS
где deS - обусловленное обменом веществом и энергией с внешней средой, а diS - изменение энтропии, обусловленное «некомпенсированным преобразованием», т.е. эта энергия произведена необратимыми процессами внутри системы.
Согласно второму началу термодинамики, diS всегда положительна, deS может быть положительной и отрицательной величиной.
К необратимым процессам внутри пенобетон-ной системы следует отнести процессы образования пенных пленок и их структурирующее воздействие на гидратные фазы, процесс гидратации клинкерных минералов и переход их в гидратные кристаллические и гелевидные формы. В технологии пенобетона особую роль в накоплении деформационных напряжений в пенобетонном массиве играет второе слагаемое изменения энтропии, определяемое массо- и теплообменом пенобетонного массива с внешней средой в процессе схватывания и начального периода набора механической прочности. В этом случае необходимо учитывать энергетическое состояние системы: работы по созданию градиентов температурных полей, изменению потоков вещества в связи с количеством вещества и их химическими потенциалами, градиентов давления газовой фазы в поровом пространстве.
Таким образом, основной механизм накопления деформационных напряжений в структуре пенобетонного массива на самой начальной стадии набора прочности, заключается в возникновении градиентов влажности и температуры массива, а также давления паров воды в порах. Накопление деформаций связано с влиянием множества факторов, в том числе трудно контролируемых, таких как свойства исходных материалов, темпе-ратурно-влажностный режим и т.д.. Причем, деформационные напряжения, вызванные градиентом влажности и температуры по объему массива, определяются проектной плотностью пенобетона: чем ниже проектная плотность пенобетона, тем
выше водотвердое отношение, ниже соотношение между цементом и заполнителем.
Из всех факторов, определяющих процессы массо- и теплообмена с первых моментов получения пенобетона, необходимо выделить свойства вяжущего и природу применяемого пенообразователя. На стадии приготовления пенобетонной смеси определяющими также являются соответствующие структурно-механические свойства пенных пленок. Промышленный опыт выпуска пенобетона низкой плотности показал, что применение пептидного пенообразователя позволяет получать устойчивые к оседанию пенобетонные смеси, а механическая прочность пенобетонных изделий при одинаковой плотности на 15-50% выше, чем на синтетических пенообразователях.
От минералогического состава клинкеров, вещественного состава и удельной поверхности цементов зависит не только конечная марочная прочность, но и кинетика набора прочности, сроки схватывания цементов, тепловыделение при гидратации. По кинетике выделения тепла в процессе гидратации по европейским стандартам цементы делят на низкоэзотермические (выделение теплоты в 3-х суточном возрасте не более 230 кДж/кг и не более 270 кДж/кг в 7-ми суточном возрасте) и высокоизотермические (выделение теплоты более 315 кДж/кг в 7-ми суточном возрасте) [5]. Используя уравнение (1), предложенное Х.Тейлором [6], были рассчитаны кумулятивные значения тепловыделения (рис. 3) для модельных клинкеров с минералогическим составом, указанным в табл. 1.
Н = а (ед + Ьф^Н с(С3А)+ а^Б) (1)
Тепловыделение связано, в первую очередь с содержанием двух минералов - трехкальциево-го силиката С38 и трехкальциевого алюмината С3А, теплота полной гидратации которых составляет соответственно 500 КДж/кг и 1450 КДж/кг. В соответствии с классификацией 1-й модельный состав клинкера с низким содержанием этих двух минералов относится к низкоэк-зотермичным, все остальные - к высокоэкзотер-мичным.
Таблица 1 Составы модельных клинкеров
Номер состава клинкера Содержание минералов, масс.%
СэЯ Р-СзБ С3А С4АР
1 50 30 5 15
2 65 15 5 15
3 50 25 10 15
4 65 10 10 15
та я
о
5
Я
я Е
ь
го
е-
о та
я я< я
го Я о о\ го н о я 02
и
о с
го о о го
я
и
о н о
(Я
Й го
я
1 Температура 2 Сквозняки 3 Прямые солнечные лучи Условия хранения на складе
Выделившееся тепло идет на нагрев пенобе-тонного массива. Причем, из- за высокой скорости выделения теплоты и низкой теплоотдачи пенобе-тонного массива, температура в центральной части пенобетонного образца значительно выше, чем на поверхности [3]. В зависимости от проектной плотности пенобетона температура во внутренних слоях массива достигает 80 - 900С (рис. 3), тем самым, создавая внутренние напряжения. При выпуске пенобетонов с заполнителями, значительная часть выделившейся теплоты поглощается заполнителями, стенками металлической формы, тем самым внутренние напряжения по величине значительно ниже.
Рис. 3. Кумулятивное тепловыделение модельных клинкеров
Рис. 4. Градиент температур в пенобетонном образце
Особенностью процесса формирования структуры пенобетонных изделий пониженной плотности, является наличие «внешнего слоя» (рис. 4), что значительно осложняет поддержание оптимального режима твердения. «Внешний слой» может составлять для пенобетона плотностью 500 кг/м3 около 150 мм, он ограничивает теплоотдачу от внутреннего пространства, что практически исключает влияние окружающей среды на изменение температуры в центре массы. Тем самым, возникающий градиент температур между поверхностью образца и его центральной частью, приводит к резкому
ухудшению свойств пенобетона (повышению усадочных деформаций и образованию трещин), особенно если воздействия градиента температур приходится на период пластического состояния пено-бетонной смеси. Если еще горячий массив освободить из формы и помесить на склад, то на внутренние напряжения, возникшие при расширении массива из-за высокой температуры, будут накладываться воздействия температурной усадки при охлаждении. Чем больше градиент, возникающий в теле массива, тем больше напряжения, и выше вероятность разрушения массива в течение первых 315 суток.
На скорость охлаждения массива на складе влияют температурные условия и скорость отвода тепла. Одновременно в массиве начинают активно протекать процесс массообмена - испарение влаги, скорость которого определяется температурно-влажностными условиями и скоростью отвода паров воды с поверхности (наличие сквозняков, нагрева от солнечного излучения и т.п)
Для определения оптимальных условий для твердения пенобетонных изделий были проведены эксперименты по влиянию условий твердения на изменение линейных размеров пенобетонных образцов. В ходе эксперимента были созданы следующие условия твердения пенобетона, которые очень часто возникают на производстве:
1 - твердение в воздушно-влажных условиях (при температуре 20±20С и относительной влажности более 90%);
2 - твердение в переменных условиях (семь дней на воздухе, семь дней в воздушно-влажных условиях при температуре 20±20С и относительной влажности более 90%);
3 - твердение на воздухе (при относительной влажности 80%);
4 - твердение на сквозняке.
Значения изменения линейных размеров пено-бетонных образцов, помещенных в различные условия твердения, от времени твердения показаны в виде графика на рис.5.
При твердении пенобетона очень важно, что бы материал ни высыхал очень быстро и постоянно был увлажнен. Известно, что высыхание с поверхности происходит быстрее, чем из внутренних слоев, поэтому наружные части пенобетона будут стремиться к сокращению, а внутренние части будут препятствовать этому сокращению, что приведет к образованию дополнительного напряжения на поверхности и появлению сетки трещин.
В первые сутки твердения пенобетон имеет высокую влажность (от 20 до 60%) . Вода распределена в виде физической воды в порах и адсорбционной воды в капиллярах.
Рис. 5. Условия твердения пенобетонных образцов
Удаление физической воды в первоначальный период не оказывает существенного влияния на усадочные явления. После семи суток начинает удаляться адсорбционная вода, находящаяся в капиллярных порах, что ведет за собой сильную влажностную усадку. При этом в цементном камне еще не до конца прошли процессы гидратации и кристаллизации, и он не может противостоять сильным усадочным явлениям.Твердение на сквозняке приводит к образованию трещин и увеличению усадочных деформаций - быстрая скорость высыхания и охлаждения приводят к значительной усадке и разрушению поровой структуры готового продукта.
Хранение образцов во влажных условиях предотвращает быстрое удаление влаги из капилляров, и приводит к снижению миграции влаги в массе пенобетона. Таким образом, оптимальными условиями твердения для пенобетонных образцов являются переменные условия твердение (семь дней на воздухе, семь дней в воздушно-влажных условиях при температуре 20±20С и относительной влажности более 90%).
Выявленные факторы, влияющие на деформационные явления в пенобетоне на ранних стадиях, позволили определить пути их устранения: правильно подобранная рецептуры пенобетонной сме-
си на низкоэкзотермичном цементе, режим твердения на ранних стадиях с высокой влажностью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Панченко, А.И. Обеспечение стойкости бетона к физическим воздействиям внешней среды путем управления собственными деформациями: автореф. дис. ... д-ра техн. наук // А.И. Панченко. - Ростов-на-Дону. 1996. -36с.
2. Шахова, Л.Д. Деформационные явления в пенобетоне /Л.Д. Шахова, С.А. Самборский, А.В. Бурдюгов // Популярное бетоноведение, 2009. - №4
3. Пригожин, И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур /И. Пригожин, Д. Кондепуди. Пер. с англ. - М.: Мир, 2002. -461 с.
4. Шлегель, И.Ф. Повышение эффективности производства пенобетонов неавтоклавного твердения /И.Ф. Шлегель, Г.Я. Шаевич, Л.А. Карабут, В.М. Бескоровай-ный // Строительные материалы. - 2008. - №1. - С.24-25.
5. ЕЫ 14216:2004 Цемент - Состав, технические условия и критерии соответствия для низкоэкзотермичных специальных цементов
6. Тейлор, X Химия цемента / Х. Тейлор. . - М.: Мир, 1996. - 560 с.
