CC BY
17УДК 691.326
В.Н. МОРГУН1, канд. техн. наук (morgun_vlad@bk.ru); Л.В. МОРГУН2, д-р техн. наук (konst-lvm@yandex.ru)
1 Южный федеральный университет (344006 г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105/42)
2 Донской государственный технический университет (344000, Ростовская обл., г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1)
Обоснование одного из методов совершенствования структуры пенобетонов
Отражена актуальность развития теории и практики газонаполненных бетонов. Показано, что современное строительное материаловедение до настоящего времени не обладает необходимым объемом знаний, опираясь на которые возможно расчетное проектирование состава пенобетонов. С позиций теории фрактальных кластеров рассмотрены различия в особенностях формирования структуры межпоровых перегородок в пено- и фибропенобетонных смесях. Показано, что длина фибры является важнейшим параметром, предопределяющим размеры формирующихся кластеров в межпоровых перегородках газонаполненного бетона. Именно длина фибры обусловливает повышение плотности межпоровых перегородок и величину пластической прочности в пенобетонных смесях.
Ключевые слова: пенобетон, пенобетонная смесь, пластическая прочность, фрактальный кластер.
Для цитирования: Моргун В.Н., Моргун Л.В. Обоснование одного из методов совершенствования структуры пенобетонов // Строительные материалы. 2018. № 5. С. 24-26.
V.N. MORGUN, Candidate of Sciences (Engineering) (morgun_vlad@bk.ru); L.V. MORGUN, Doctor of Sciences (Engineering) (konst-lvm@yandex.ru)
1 Southern Federal University (05/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
2 Don State Technical University (1, Gagarina Square, Rostov-on-Don, 344010, Russian Federation)
Substantiation of One of the Methods for Improving the Structure of Foam Concretes
The relevance of development of the theory and practice of gas-filled concretes is reflected. It is shown that till now the modern construction materials science doesn't have the necessary volume of knowledge, relying on which the design of the composition of foam concretes is possible. Differences in the features of the formation of the structure of inter-porous partitions in foam- and fibrous foam concrete mixes are considered from the position of the theory of fractal clusters. It is shown that the length of the fiber is the most important parameter that predetermines the sizes of clusters formed in inter-porous partitions of gas-filled concrete. It is the length of the fiber that causes an increase in the density of inter-porous partitions and the value of plastic strength in foam concrete mixtures.
Keywords: foam concrete, foam concrete mix, plastic strength, fractal cluster.
For citation: Morgun V.N., Morgun L.V. Substantiation of one of the methods for improving the structure of foam concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 5, pp. 24-26. (In Russian).
Технологии ячеистых бетонов возникли в начале прошлого века почти случайно [1], однако потребность в строительных изделиях из них с каждым годом все возрастает [2]. Строительство, будучи самой материалоем-кой областью профессиональной деятельности человека, крайне нуждается в развитии этих технологий. Совершенствование технологий портландцемента [3, 4], войны и энергетические кризисы [5] ХХ и XXI вв. поставили на повестку дня проблему промышленного производства изделий из ячеистых бетонов такого качества, которое могло бы обеспечивать требуемый практикой уровень их эксплуатационных свойств. Тем не менее возможность получения ячеистых бетонов на цементной основе с заданными свойствами при использовании конкретных видов сырья до настоящего времени опирается не на расчетные методы проектирования, а на методики подбора. Это утверждение частично справедливо и для бетонов слитной структуры [6], и полностью для ячеистых бетонов.
Необходимость развития расчетных методов проектирования диктуется потребностями практики [7—9], однако до настоящего времени строительное материаловедение не накопило достаточного объема знаний о закономерностях формирования структуры бетонов, опираясь на которые стало бы возможным создание адекватных математических моделей (расчетных уравнений), удобных для достоверного проектирования состава бетонов с заданными свойствами. Возможность создания таких моделей зависит от результатов системного анализа рецептурных и технологических факторов, управляющих формированием структуры бетона с требуемыми свойствами.
Тот факт, что при изготовлении энергоэффективных и ресурсосберегающих бетонов (пенобетонов) опираются только на результаты лабораторных поисков рецептуры, свидетельствует:
— с одной стороны, о том, что изделия из пенобетонов необходимы строительному комплексу для возведения стен с высоким сопротивлением теплопередаче;
— с другой стороны, о том, что объективного знания о закономерностях формирования их структуры и свойств нужного материала до настоящего времени накоплено недостаточно.
В настоящей работе авторы рассмотрят влияние индивидуальных свойств сырья на возможность получения пенобетонов с улучшенными свойствами.
Для изготовления пенобетонов применяют порт-ландцементы регламентированного минералогического состава. Содержание в них трехкальциевого алюмината С3А не должно превышать 4%, потому что в течение первого часа контакта с водой удельная поверхность этого минерала увеличивается более чем в 80 раз [10]. Адсорбционная и химическая диспергация клинкерных минералов в составе такой высокообводненной дисперсной системы, как пенобетонная смесь, предопределяет негативное влияние интенсивных массооб-менных процессов на их структуру, потому что капиллярные и ван-дер-ваальсове связи, обеспечивающие сцепление элементов структуры пенобетонной смеси, в этот период очень слабы. Кроме того, в структуре дисперсной системы появляются дисперсные частицы на-нометрового диапазона, поверхностный энергетический потенциал которых кратно превышает потенциал исходных частиц.
научно-технический и производственный журнал
Materials with Cellular Structure
Влияние длины фибры на кинетику пластической прочности пенобетонных смесей
Время нахождения в форме, мин Пластическая прочность равноплотных смесей (Па) при длине армирующего волокна, мм Прирост пластической прочности в % по отношению к смеси без фибры
без фибры 10 30 60 10 30 60
0 51 57 59 61 11,8 15,7 19,6
15 56 66 78 85 17,9 39,3 51,8
30 60 70 86 95 16,7 43,3 58,3
45 68 77 92 103 13,2 35,3 51,5
60 76 86 114 130 13,2 50 71,1
75 82 89 138 154 8,5 68,3 87,8
90 85 96 151 186 12,9 77,6 118,8
105 92 109 173 212 18,5 88 130,4
120 101 131 198 242 29,7 96 139,6
135 119 176 244 271 47,9 105 127,7
150 140 190 257 316 35,7 83,6 125,7
165 172 234 289 363 36 68 111
180 213 395 475 498 85,4 123 133,8
I 500
¿450
)
> 400
:350
>
i 300
i
^250
I 200
0150
! 100
)
; 50
i
: 0
" 400
2 300
р250
о 200
200
Время нахождения в форме, мин
Влияние длины фибры на величину и кинетику пластической прочности в равноплотных пенобетонных смесях: 1 - фибра длиной 60 мм; 2 - фибра длиной 10 мм; 3 - фибра длиной 30 мм; 4 - без фибры
Параллельно с гидратацией клинкерных минералов в пенобетонных смесях, уложенных в формы, развивается процесс формирования кластеров из дисперсных частиц твердой фазы в пространстве перегородок, разделяющих газовые поры [11]. Т. е. имеет место физический процесс сборки кластеров из обводненных твердых дисперсных частиц сырья. Этот процесс идет в условиях воздействия на структуру гравитационных сил, величина которых зависит от плотности и толщины слоя смеси.
Из теории фрактальных кластеров [12] следует, что их плотность и размеры зависят от формы и поверхностных свойств взаимодействующих друг с другом дисперсных частиц. Свойства фрактальных структур в природе предопределяются их инвариантностью к объекту, самоподобным размножением на различных масштабных уровнях, адаптируемостью к энергетическим внешним воздействиям, наличием «памяти» и др. [13]. Реализация фрактального подхода при рассмотрении процессов формирования структуры пенобетонных смесей в зависимости от меры дисперсности и формы сырьевых компонентов твердой фазы позволяет приблизиться к осмыслению закономерностей образования пенобетонов с улучшенными эксплуатационными свойствами. Мы полагаем, что для получения пенобетонов, характеризующихся высокими конструкционными свойствами, необходимо, чтобы в период преобладания вязких связей между частицами твердой фазы возникали технологические условия для образования плотных межпоровых перегородок.
Плотность образований, получаемых в ходе агрегации дисперсных частиц в кластеры, зависит от траектории их движения [14] и формы. Фрактальная размерность всегда меньше или в частном случае может быть равна d — размерности пространства [15]. В технологии пенобетонных смесей размерность пространства, в котором формируются межпоровые перегородки, численно равна их толщине. А в технологии фибропенобе-
Список литературы
1. Шахова Л.Д. Технология пенобетона. практика. М.: АСВ, 2010. 248 с.
Теория
тонов размерность пространства регламентируется длиной фибры. Теоретически отсюда следует, что при наличии фибры в рецептуре смеси в ней должны возникать технологические условия для формирования кластеров более плотных, чем в смесях, не содержащих фибры.
О мере плотности фаз, формирующихся при переходе газонаполненной дисперсной системы из одного состояния в другое, можно судить по кинетике пластической прочности. Поэтому нами была выполнена экспериментальная оценка влияния длины волокнистой дисперсной арматуры при содержании ее 1,5% от объема цементного камня на величину и кинетику пластической прочности равноплотных пенобетонных смесей. Полученные данные представлены в таблице и на рисунке.
Фибра в 1000 раз и более длиннее самой крупной частицы цемента. В структуре пенобетонной смеси она располагается внутри межпоровых перегородок [16]. Энергетический Z-потенциал фибры в щелочной среде цементного теста достигает -40 мВ [17]. Поэтому положительно заряженные дисперсные частицы твердой фазы будут перемещаться в направлении ее поверхности. С учетом ионного состава цементного теста в рассматриваемый период структурообразования фибра будет выступать как подложка для роста кристаллических гидратных фаз новообразований цементного камня, что подтверждается более высокими значениями пластической прочности в каждый контролируемый период времени (см. рисунок).
Выводы
Опираясь на научное обоснование о взаимосвязи между плотностью фракталов и размерностью пространства, а также на экспериментальные данные о значениях пластической прочности, можно утверждать следующее:
— дисперсное армирование волокнами позволяет совершенствовать структуру пенобетонных смесей путем повышения плотности их межпоровых перегородок;
— мера повышения плотности при прочих равных условиях регулируется длиной фибры.
References
1. Shakhova L.D. Tekhnologiya penobetona. Teoriya i
praktika [Technology of foam concrete. Theory and practice]. Moscow: ASV. 2010. 248 p.
и
lj научно-технический и производственный журнал
Ы- ® май 2018 25
2. Красникова Н.М., Хозин В.Г. Новый способ изготовления пенобетона // Известия КазГАСУ. 2009. № 1 (11). С. 266-272.
3. Бикбау М.Я. Нанотехнологии в производстве цемента. М.: ОАО «Московский институт материаловедения и эффективных технологий», 2008. 768 с.
4. Pellenq R.J.-M., Kushima A., Shahsavari R., van Vliet K.L., Buehler M.J., Yip S., Ulm F.-J. A realistic molecular model of cement hydrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2009. Vol. 106, 38, pp. 16102-16107.
5. Гвоздикова В.И. Мировой энергетический кризис и его влияние на энергетику России // Молодой ученый. 2017. № 2. С. 388-391. URL https://moluch.ru/ archive/136/38027/ (дата обращения: 18.04.2018).
6. Степанова В.Ф. Долговечность бетона. М.: АСВ, 2014. 126 с.
7. Комохов П.Г. Процессы твердения минеральных вяжущих в аспекте структурной механики бетона. Современные проблемы строительного материаловедения. Перспективные направления в теории и практике минеральных вяжущих веществ и материалов на их основе: Вторые академические чтения. РААСН. Казань. Ч. 3. 1996. С. 3-8.
8. Роко М.К., Уильямс Р.С., Аливисвтос П. Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. Р.А. Андриевского. М.: Мир, 2002. 287 с.
9. Комохов П.Г. Физика и механика разрушения в процессе формирования прочности цементного камня // Цемент. 1991. № 7, 8. С. 4-10.
10. Красильников К.Г., Никитина Л.В., Скоблинская Н.Н. Физикохимия собственных деформаций цементного камня. М.: Стройиздат, 1980. 256 с.
11. Моргун В.Н., Моргун Л.В. Структура межпоровых перегородок в пенобетонных смесях // Строительные материалы. 2014. № 4. С. 84-86.
12. Ананьева Е.С., Новиковский Е.А., Ананьев М.И., Маркин В.Б., Ишков А.В. Применение фрактально-кластерного подхода для анализа структуры и прогнозирования свойств полимерных нанокомпозитов // Ползуновский вестник. 2012. № 1. С. 10-14.
13. Новиков В.У., Козлов Г.В. Полифрактальность структуры наполненных полимеров // Пластические массы. 2004. № 4. С. 27-38.
14. Олемский А.И., Флат А.Я. Использование концепции фрактала в физике конденсированной среды // Успехи физических наук 1993. Т. 12. № 163. С. 1-50.
15. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 136 с.
16. Моргун Л.В. Пенобетон. Ростов н/Д: Рост. госуд. строит. ун-т, 2012. 154 с.
17. Андросов В.Ф. Крашение синтетических волокон. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 272 с.
2. Krasnikov N.M. Khozin V.G. New method of manufacture of foam concrete. Izvestiya KazGASU. 2009. No. 1 (11), pp 266-272 (In Russian).
3. Bikbau M.Ya. Nanotekhnologii v proizvodstve tsementa [Nanotechnology in cement production]. Moscow: Moscow Institute of material science and effective technologies. 2008. 768 p.
4. Pellenq R.J.-M., Kushima A., Shahsavari R., van Vliet K.L., Buehler M.J., Yip S., Ulm F.-J. A realistic molecular model of cement hydrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2009. Vol. 106. No. 38, pp. 16102-16107.
5. Gvozdikova V.I. World energy crisis and its impact on the energy of Russia. Molodoy ucheniy. 2017. No. 2, pp. 388-391. URL https://moluch.ru/archive/136/38027/ (date of access: 18.01.2018). (In Russian).
6. Stepanova V.F. Dolgovechnost' betona [Durability of concrete]. Moscow: ASV. 2014. 126 p.
7. Komokhov P.G. Hardening processes of mineral binders in the aspect of structural mechanics of concrete. Modern problems of building materials. Perspective directions in theory and practice of mineral binders and materials on their basis: Second academic readings. RAACS. Kazan. Part 3. 1996, pp. 3-8. (In Russian).
8. Roco M.C., Williams R.S., Alivisatos P. Nanotekhnologiya v blizhayshem desyatiletii [Nanotechnology in the next decade]. Ed. by R.A. Andrievskiy. Moscow: Mir. 2002. 287 p.
9. Komokhov P.G. Physics and mechanics of fracture in the formation of the strength of cement stone. Tsement. 1991. No. 7, 8, pp. 4-10. (In Russian).
10. Krasilnikov K.G., Nikitina L.V., Skoblinsky N.N. Physical chemistry of their own deformations of the cement stone. Moscow: Stroyizdat. 1980. 256 p.
11. Morgun V.N., Morgun L.V. Structure of interstitial partitions in foam concrete mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 4, pp. 84-86. (In Russian).
12. Ananyeva E.S., Novikov E.A., Anan'ev I.M., Markin V.B., Ishkov A.V. Application of the fractal-cluster approach to analyze the structure and prediction of properties of polymer nanocomposites. Polzunovskii Vestnik. 2012. No. 1, pp. 10-14. (In Russian).
13. Novikov V.U., Kozlov G.V. Polyfructanes structure of filled polymers. Plasticheskie Massy. 2004. No. 4, pp. 27-38. (In Russian).
14. Olemskoy A.I., Flath A.I. The use of the concept of the fractal in the physics of condensed matter. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1993. Vol. 12. No. 163, pp. 1-50. (In Russian).
15. Smirnov B.M. Fizika fraktal'nykh klasterov [Physics of fractal clusters]. Moscow: Nauka. 1991. 136 p.
16. Morgun L.V. Penobeton [Foam Concrete]. Rostov-on-don: Rostov State University of Civil Engineering. 2012. 154 p.
17. Androsov V.F. Dyeing synthetic fibers [The dyeing of synthetic fibers]. Moscow: Legkaya i pishchevaya pro-myshlennost'. 1984. 272 p.
ПОДПИСКА
U О О Л С \¿ Т О ПIJIJ U1Л О С О Г' I И-П \i/\/nu л п л
мм jMLMiiuMMjrn инииш ЖУРНАЛА
http://rifsm.ru/page/5/
научно-технический и производственный журнал
