CC BY
34
Горынин Гпеб Леонидович - доктор физикоматематических наук, доцент по кафедре «Строительные технологии и конструкции», заведующий кафедрой «Строительные технологии и конструкции». Сургутский государственный университет. Основное направление научных исследований - механика композитных конструкций. Общее количество публикаций: свыше 80. электронная почта - ggorynin@list.ru.
Власко Андрей Федорович - аспирант кафедры «Строительные технологии и конструкции» Сургутский государственный университет. Основное направление научных исследований - механика композитных конструкций. Общее количество публикаций: 3. электронная почта -
vlasko. а. Щуапбех. ги.
УДК 691.620.18
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ БЕТОНА ПРИ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
А. Ф. Косач, М. А. Ращупкина, Н. А. Гутарева, А. В. Обадьянов
Аннотация. В статье, представлен процесс структурообразования с учётом связи межфазных взаимодействий и внутренних сил с распределением по крупности частиц, входящих в структуру бетона, особенно так называемой микрогетерогенной составляющей с крупностью частиц в диапазоне 10 + 0,1 мкм.
Ключевые слова: структурообразование, механоактивация.
Введение
Современные достижения в области механики дисперсных систем, в виде внутренних сил дисперсной или дисперсно-зернистой системы, создали дополнительные возможности управления начальной структурой бетонов.
Измельчение твёрдых материалов - осуществляют механическим разрушением крупных фрагментов ударным и/или сдавливающим действием в аппаратах различных конструкций, назначения, мощности и производительности [1,4,5]. Чем меньше зёрна новообразований и размеры пор между ними, тем выше прочность бетона даже при одном и том же водоцементном отношении.
Портландцемент в современном строительстве является основным высококачественным вяжущим веществом для бетона, отвечающим физико-техническим требованиям.
Повышение тонкости помола цемента и специальные мероприятия, обеспечивающие диспергацию частиц и пор, способствуют получению высококачественной тонкозернистой структуры.
Основная часть
Современные достижения в области механики дисперсных систем создали дополнительные возможности управления начальной структурой бетонов. Ключевым моментом этой стороны управления является избыточная поверхностная энергия, участвующая в структурообразовании фаз, которая проявля-
ется в виде внутренних сил дисперсной или дисперсно-зернистой системы.
Закономерности структурообразования и пороговые структурные переходы в основном соответствуют современным представлениям физико-химической механики дисперсных
систем. В то же время для отдельных моментов не удалось дать достаточно полного обоснования, что создаёт некоторую неоднозначность в управлении процессом. В частности, недостаточно разработанным в научном и практическом плане выглядит вопрос о связи межфазных взаимодействий и внутренних сил с распределением по крупности частиц, входящих в структуру бетона, особенно так называемой микрогетерогенной составляющей с крупностью частиц в диапазоне 10 + 0,1 мкм. В связи с этим предприняты попытки более глубокого рассмотрения процессов структурообразования с учётом именно этого фактора.
Кроме максимальной упаковки зёрен песка, важную роль при получении тонкозернистых бетонов играет удельная поверхность заполнителя, влияющая на водопотребность бетонной смеси, и площадь сцепления зёрен заполнителя с цементной матрицей. Удельная поверхность дисперсной фазы, содержащей одинаковые частицы, вычисляется по формуле:
где 5Ч - поверхность частицы, V, - её объём.
Удельная поверхность песка изменяется от 1,98 до 15,84 м /г, а пустотность в уплотнённом состоянии от 28,7 до 37,7 % [2].
Рост удельной поверхности S увеличивает количество атомов в поверхностном слое с некомпенсированными с одной стороны электронными связями, а также количество атомов в приповерхностных слоях с частично некомпенсированными электронными связями.
В огранённых наночастицах, кроме того, возрастает количество подобных атомов на гранях и в вершинах. В результате поверхностная часть свободной энергии увеличивается до значений сравнимых с объёмной долей.
Основой проводимых исследований явилось тонкое измельчение кремнезёмистого сырья - механоактивация. Данный процесс способствует повышению значения полной свободной поверхностной энергии кварцевого песка (и^, которая складывается из энергии Гиббса (единицы поверхности) и скрытой теплоты образования единицы новой поверхности:
ир =ст + др = GF + т ■ SF , (2)
При измельчении песка окатанную форму имеют только зёрна размером более 230 мкм. С уменьшением размера частиц их форма становится угловатой. У фракций размером зёрен менее 200 мкм не наблюдается резких различий в форме при измельчении в различных помольных агрегатах.
С увеличением времени помола удельная
где о - удельная свободная поверхностная энергия, а = dG/dF ’ ^ - пл°ЩаДь поверхности; GF - энергия Гиббса единицы поверхности; qF - скрытая теплота образования
единицы новой поверхности; = Т • SF ;
- избыточная энтропия единицы поверхности; Т - температура [3].
В качестве заполнителя мелкозернистого бетона использовались кварцевые пески Су-рей-Юганского месторождения со следующими характеристиками :
- по гранулометрическому составу песок относится к группе средних песков, модуль крупности 2,05;
- истинная плотность - 2620 кг/м3;
3
- насыпная плотность - 1570 кг/см ;
- содержание пылевидных и глинистых частиц - 0,84 %.
Пески подвергались тонкому сухому помолу совместно с негашёной известью до удельной поверхности 330...365 м2/кг, что соответствует среднему размеру зерна около 6.7 мкм.
Экспериментально определен фракционный состав немолотого песка (табл.1.).
поверхность материалов постоянно повышается, тогда как рост концентрации активных центров замедляется, причём, для разных материалов этот процесс начинается не одновременно. Например при помоле кварцито-песчаника концентрация обменных центров возрастает в течение- 3 - 4 часов, когда достигает значения 19 - 21 мг-экв/м2 (20,0 мг-экв/м
Таблица 1 - Фракционный состав песка немолотого, %
Размер, мкм Дифференциальное распределение Интегральное распределение
>5000 0,45 100,00
2500 + 5000 0,34 99,55
1250 + 2500 0,34 99,21
630 + 1250 1,93 98,87
315 + 630 61,83 96,94
300+315 7,93 35,11
150+300 1,25 27,18
100 + 150 4,89 25,93
50 + 100 13,40 21,04
30 + 50 0,27 7,64
5 ■I- 3 О 2,15 7,37
10 ■ 15 1,09 5,22
5 ■ 10 1,36 4,13
3 ■ 5 0,54 2,77
2 ■ 3 0,71 2,23
0 ■ 2 1,52 1,52
2
при Syд=370 м /кг). Уже в течение первого часа активность пробы возрастает в 2,2 раза, а своего максимального значения достигает через 3 часа и равняет 24 мг-экв/м, (23,5 мг-экв/м при 5УД= 300 м2/кг). В ещё большей степени это заметно при помоле кварцевого песка, у которого в первый час активность увеличивается в 3,25 раза, а уже после двух часов помола практически не возрастает выше 14 мг-экв/м2, (13,5 мг-экв/м при Syд= 80 м2/кг) [4, 5].
При механоактивации происходит резкое возрастание концентрации поверхностных дефектов, обусловленное нарушением контактов между кристаллами с разрывом кремнекислородных валентных связей.
Механоактивация кварцевого песка даёт:
- образование активных центров на свежеобразованной поверхности;
- изменение реакционной способности;
- на поверхности твёрдого тела формируется поверхностный слой, в котором концентрируется «избыточная» энергия;
- изменение свободной энергии кварцевого песка вследствие механохимической активации обусловлено изменением суммы поверхностной и внутренней энергии;
- изменение внутренней энергии за счёт дефектов структуры превышает прирост поверхностной энергии кварцевого песка в несколько раз, повышается химическая активность песка при нормальных условиях;
- значительно повышается структурообразующая роль песка и наполнителей;
- на месте выхода дислокаций на поверхности кристаллов механоактивированных полупродуктов идёт закрепление зародышей новообразований продуктов гидратации цемента.
Определен экспериментально фракционный состав песка с использованием сухого помола в табл.2.
Таблица 2 - Фракционный состав песка молотого, %
Размер, мкм Дифференциальное распределение Интегральное распределение
>5000 0 100,00
2500 + 5000 0,00 100,00
1250 + 2500 0,06 100,00
630 + 1250 0,30 99,94
315 + 630 13,11 99,64
300+315 4,41 86,53
150+300 1,40 82,12
100 + 150 5,26 80,72
50 + 100 19,20 75,46
30 + 50 8,70 56,26
5 ■I- 3 О 13,06 47,56
10 ■ 15 7,23 34,50
5 ■ 10 10,35 27,27
3 ■ 5 4,85 16,92
2 ■ 3 4,19 12,07
0 ■ 2 7,88 7,88
На основе вяжущей композиции были изготовлены образцы бетона на цементе ПЦ 400 Д20. Отформованные до одного и того же объёмного веса, образцы при большей удельной поверхности песка обладают большей
прочностью. На рисунке 1 представлены микрофотографии полученные с помощью электронной растровой микроскопии с разным разрешением - на микроскопе РЭМ 100У.
Рис. 1. Микрофотографии мелкозернистого бетона а) с разрешением 100 мкм; б) с разрешением 50 мкм
В дальнейшем в работе применялись наполнители с удельной поверхностью равной, 350 м2/кг, так как при данной величине количество активных центров материалов практически достигает максимального значения и дальнейшее измельчение нецелесообразно [4, 5].
Образцы подвергались 8-и часовой тепловлажностной обработке в пропарочной камере при 85.90 °С. Избыток свободной поверхностной энергии тонкомолотого механоактиви-рованного кварцевого песка обусловливает его высокую реакционную способность уже при низких температурах.
Преимущества, получаемые от применения механоактивации песка:
1. Применение механоактивированных заполнителей может обеспечить прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов. При использовании природных заполнителей достигается прочность свыше 150 Н/мм2, а при использовании специальных высокопрочных заполнителей можно достичь прочности 300 Н/мм2.
2. Низкая проницаемость и повышенная плотность цементного камня обеспечивает повышенную морозостойкость бетона. Стабильная реологическая структура бетона с активированным заполнителем уменьшает потерю вовлечённого воздуха при транспортировке и вибрировании.
3. Применение механоактивированного заполнителя в бетоне позволяет экономить до 20 % цемента без ухудшения характеристик
бетона и сокращать расход тепловой энергии при тепловлажностной обработке изделий.
Заключение
При разработке составов мелкозернистого бетона учёт факторов дисперсности, удельной поверхности и времени помола заполнителя, позволил экспериментально получить изделия с высокими показателями основных свойств: прочности при сжатии, плотности, истираемости, морозостойкости. Механоактивация песка способствовала нарастанию прочности бетона и экономии цемента.
Библиографический список
1. Баженов Ю. М. Новые эффективные бетоны и технологии // Промышленное и гражданское строительство. 2001. - № 9. - С. 15-18.
2. Хозин В. Г., Морозов Н. М., Боровских И. В. Оптимизация гранулометрического состава песка для получения высокопрочного тонкозернистого бетона // Извесгая КазГАСУ. -2008. - № 2 (10). -С. 121-124.
3. Лотов В. А. Нанодисперсные системы в технологии строительных материалов и изделий // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - №3. - С. 84 - 88.
4. Стрельников, А. Н. Применение механо-магнитной активации для снижения количества вводимых добавок в бетон / С. В. Федосов, М. В. Акулова, А. Н. Стрельников, Т. Е. Слизнева // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2009. - № 3. - С. 21-25.
5. Ращупкина М. А., Косач А. Ф., Кузнецова И. Н. Зола гидроудаления в производстве бетона. Извесгая вузов. Строительство. - 2009. - № 7. - С. 16-20.
FEATURES OF STRUCTURIZATION OF CONCRETE AT MECHANICAL ACTIVATION OF A FILLER
A. F. Kosach, M. A. Rashchupkina,
N. A. Gutareva, A. V. Obadyanov
In clause, attempts of deeper consideration of processes of structurization in view of communication of interphase interactions and internal forces with distribution on крупности the particles entering into structure of concrete, especially so-called microheterogeneous component with крупностью particles in a range 10 + 0,1 microns are undertaken.
Косач Анатолий Федорович - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции Югорского государственного уни-
верситета (ЮГУ), г. Ханты-Мансийск.
A_Kosach@ugrasu.ru
Ращупкина Марина Алексеевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Си-6АДИ. Основное направление научных исследований: наноструктурирование строительных материалов и изделий, физико-механические свойства бетонов, механизм формирования структуры бетона. Общее количество публикаций: 37.
Гутарева Наталья Анатольевна - аспирантка Югорского государственного университета (ЮГУ), г. Ханты-Мансийск.
Обадьянов Александр Викторович - аспирант Югорского государственного университета
(ЮГУ), г. Ханты-Мансийск.
УДК 625.7
ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ С ДИСКРЕТНОЙ СТРУКТУРОЙ В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Т. В. Семенова, В. Н. Герцог
Аннотация. Представлен способ расчета пластических деформаций материала, испытывающего трехосное сжатие. Дан сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных деформаций суглинка легкого, испытывающего трехосное сжатие.
Ключевые слова: Пластичность, деформация, главные напряжения.
Введение
Потребительские свойства автомобильных дорог скорость и безопасность движения во многом зависят от ровности покрытий [1-3]. В настоящее время различают три причины ухудшения ровности. Во второй и третьей дорожно-климатических зонах в грунтах земляного полотна и слоях дорожной одежды происходит накапливание пластических деформаций, которые копируются асфальтобетонными покрытиями и основаниями. По данным И. А. Золотаря грунты земляного полотна испытывают пластические деформации, составляющие до 80 % глубины неровности, формирующейся на поверхности асфальтобетонного покрытия [2]. В четвертой дорожно-
климатической зоне, а так же в наиболее жаркие летние месяцы асфальтобетонные покрытия испытывают деформации сдвига, что приводит к формированию неровностей на их поверхности [4]. Яркой иллюстрацией таких неровностей является колея с боковым выпо-
ром. Третьей причиной ухудшения ровности является износ покрытия в результате воздействия трения шин об их поверхность. Указанные причины могут комплексно влиять на ухудшение ровности покрытий.
Причиной ухудшения поперечной ровности считается неравномерное распределение проходов шин по ширине проезжей части [5, б]. Причинами ухудшения продольной ровности считают неравномерное распределение влажности связных грунтов [7] и плотности дискретных материалов [8], а также изменение динамического усилия вдоль траектории движения, обусловленного колебаниями автомобиля [9].
Таким образом, разработка методики прогнозирования изменения ровности покрытий требует обширных исследований и знаний в областях пластического деформирования и разрушения трением. В настоящей работе авторы предпримут попытку вывода формулы, позволяющей производить расчет пластиче-
