CC BY
13УДК 666.9
В.Н. МОРГУН1, канд. техн. наук; Л.В. МОРГУН2, д-р техн. наук
1 Академия архитектуры и искусств Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42)
2 Ростовский государственный строительный университет (344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)
Структура межпоровых перегородок в пенобетонных смесях
Перечислены особенности массопереноса дисперсных частиц газовой и твердой фаз при перемешивании сырьевых компонентов пенобетонных смесей. Рассмотрены особенности массопереноса в вязкопластичных структурах полученных материалов в зависимости от формы компонентов твердой фазы. Дан анализ влияния гидратационных процессов, протекающих между минеральным вяжущим и водой, на агрегативную устойчивость полученных смесей. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что скорость формирования кластеров, из которых формируются межпоровые перегородки пенобетонов, зависит от формы дисперсных компонентов твердой фазы. Наличие волокнистых включений (фибры) предопределяет повышение агрегативной устойчивости смесей за счет сокращения периода формирования прочных связей между обводненными частицами твердой дисперсной фазы.
Ключевые слова: пенобетон, фибропенобетон, армирование, межпоровые перегородки, структурообразование.
V.N. MORGUN1, Candidate of Sciences (Engineering); L.V. MORGUN2, Doctor of Sciences (Engineering)
1 Academy of Architecture and Arts of the Southern Federal University (105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
2 Rostov State University of Civil Engineering (162, Sotsialisticheskaya Street, Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation)
Structure of interporous partitions in foam concrete mixes
Features of the mass transfer of disperse particles of gas and solid phases in the course of mixing of raw components of foam concrete mixes are specified. Features of the mass transfer in viscous-plastic structures of the obtained materials in dependence on the form of components of the solid phase are considered. An analysis of the influence of the hydration process which takes place between the mineral binder and water on the aggregative stability of obtained mixes is made. It is theoretically substantiated and experimentally confirmed that the speed of formation of clusters which form interporous partitions depends on the form of disperse components of the solid phase. The presence of fibrous inclusions (fibre) leads to increasing the aggregative stability of mixes due to the shortening of the period of formation of strong ties between the watered particles of the solid disperse phase.
Keywords: foam concrete, fibrous foam concrete, reinforcement, interporous partitions, structure formation.
Прочность и эксплуатационная надежность строительных материалов из газонаполненных бетонов предопределяет эффективность их применения в строительстве. В свою очередь, параметры перечисленных свойств управляются вещественным составом и мерой пористости межпоровых перегородок, которые формируются преимущественно в результате массопереноса при перемешивании сырья и в период фазового перехода от вязкого к твердому.
В технологии пенобетонов при перемешивании сырьевых компонентов осуществляется насыщение смесей дисперсной газовой фазой и перевод значительной части воды затворения из свободного в физически связанное состояние по отношению к дисперсным частицам (газовым и твердым) [1].
В свежеуложенных пенобетонных смесях, когда упругие связи, обусловливаемые гидратацией цемента, еще не получили развития, агрегативная устойчивость элементов структуры, полученных в результате газововлечения, обеспечивается комплексом слабых взаимодействий, в основном электростатическими силами, и весьма незначительно — капиллярными. Поскольку радиус энергетического взаимодействия поверхностных сил дисперсных частиц твердой фазы составляет всего 0,8—2 нм [2], сразу после завершения перемешивания и укладки смесей в формы под действием как поверхностных, так и гравитационных сил в полученной структуре формируется сложное поле напряжений. В результате частицы зернистой твердой фазы стремятся к оседанию, а газовой — к всплыванию. Полезная работа жидкой фазы рассматриваемой дисперсной системы заключается в сохранении структуры, сформированной при перемешивании.
Параллельно с описанными процессами в результате гидратации минералов цементного вяжущего объем межчастичной воды уменьшается. Следовательно, в ней повышается концентрация поверхностно-активных ве-
ществ (ПАВ) и уменьшается вязкость жидкой фазы. Ослабление вязких связей особенно опасно для тех межпоровых перегородок, которые расположены перпендикулярно направлению действия гравитационных сил. Тогда даже незначительное перемещение в пространстве частиц твердой фазы в сочетании с коалес-ценцией [3] инициирует слияние мелких пор в более крупные, что может привести к расслоению смеси и существенному снижению прочности затвердевшего бетона. Снижение упругости водных пленок ПАВ не оказывает структурно выраженного отрицательного влияния на затвердевающую пенобетонную смесь только тогда, когда скорость формирования кристаллического сростка в ней оказывается выше скорости снижения упругости водных пленок и дисперсная система в течение всего периода фазового перехода из вязкого в твердое сохраняет агрегативную устойчивость.
Известно, что межпоровые перегородки пеносмесей обретают способность фиксировать геометрию газовой фазы только после того, как достаточное количество вязких контактов между частицами твердой фазы будут заменены упругими. Факт такой замены научно обоснован флокуляцией дисперсных частиц твердой фазы в результате образования фракталов и кластеров [4], а экспериментально фиксируется величиной пластической прочности. Величина поверхностной энергии дисперсных частиц твердой фазы управляет формированием межфазных границ в структуре межпоровых перегородок и, как следствие, свойствами материала после его отвердевания. Известно [5], что величина межчастичного взаимодействия зависит от формы частиц:
р-^- ,
т-Н*
где, F — сила взаимодействия между частицами; Н — расстояние между частицами; А — константа, характеризующая суммарное действие ориентационного и дис-
84
научно-технический и производственный журнал
апрель 2014
iA ®
Results of scientific research
o
IL
Рис. 1. Схема прибора для оценки способности пенобетонных смесей удерживать вовлеченную при перемешивании газовую фазу: 1 - грузы для фиксации емкости; 2 - емкость со смесью; 3 - сосуд для воды; 4 - пробка со стеклянной трубочкой; 5 - гибкий шланг; 6 - мерная шкала; 7 - и-образная трубка; 8 - штатив; 9 - гибкая емкость для бетонной смеси; 10 - вода; 11 - гибкая емкость для грузов
персионного факторов; г — размер частицы; т, п — коэффициенты (при взаимодействии шарообразных частиц т=12, п=2; шарообразной и протяженной — т=6, п=2).
Поэтому можно полагать, что силы сцепления между дисперсными частицами твердой фазы, развивающиеся в структуре межпоровых перегородок пено- и фибропенобетонных смесей, будут различаться. Следствием этого развития в силу того, что линейные размеры фибры примерно в 1000 раз больше ее поперечного сечения и дисперсных частиц вяжущего, станет ускоренное формирование кластеров из обводненных дисперсных частиц [6] по сравнению со структурой пенобетонных смесей. Агрегаты зернистых частиц твердой фазы в межпоровых перегородках дисперсно-армированных пеносмесей по длине будут соответствовать армирующим волокнам. А в сечении, перпендикулярном длине фибры, плотность упаковки частиц будет убывать [4] по мере удаления от поверхности дисперсной арматуры.
Кроме того, Б. Мандельбротом [7] установлено, что форма, размеры и прочность кластеров зависят от особенностей сборки в них дисперсных частиц. По его мнению, в полидисперсных системах, а к ним, по нашему мнению, относятся любые бетонные смеси, сборка кластеров происходит методом реструктуринга. Он отличается тем, что после образования нежесткого контакта жесткие кластеры поворачиваются вокруг точки контакта до тех пор, пока не образуются контакты в трех точках, обеспечивающих получение прочных связей. Плотность и устойчивость любой кластерной структуры к воздействию внешних нагрузок зависит от траектории движения зернистых частиц к кластеру и способа его сборки.
Поскольку мелкие частицы зернистой твердой фазы перемещаются к поверхности фибры быстрее крупных и с меньшими затратами энергии, то составляющие фрактальных кластеров за счет более тонких сольват-ных оболочек упаковываются плотнее, чем это происходит в пеносмесях, где нет протяженных поверхностей раздела фаз. Так как толщина пленочных оболочек вокруг частиц твердой фазы предопределяет плотность кластера [4], величина и скорость формирования упругих связей в цементном вяжущем в пено- и фибропено-бетонной смесях должны различаться [6]. А следствием повышения агрегативной устойчивости станет повышенная прочность межпоровых перегородок движению
12 3 4
Количество фибры, об. %
-е- В/Т=1,2 -е - В/Т=0,8 - а - В/Т=0,4
Рис. 2. Влияние дисперсного армирования на газоудерживающие свойства пенобетонных смесей
300 250 7
et к s
200-
¡8 150-
100-
2 3 4
Содержание фибры, об. %
В/Т минимальное —& - В/Т максимальное
Рис. 3. Продолжительность утраты газовой фазы пеносмесями в зависимости от содержания фибры
газовой фазы в направлении выталкивающей силы. Экспериментально сформулированный тезис подтвержден следующим образом.
Была изготовлена специальная установка (рис. 1), конструкция которой обеспечивала возможность контроля потерь вовлеченного пеносмесью воздуха с точностью до 0,1 мл. Объем каждой исследуемой пробы смеси составлял 1500 мл. Наблюдение за процессом утраты газовой фазы пеносмесями осуществляли в течение 6 ч, их плотности составляли от 400 до 1000 кг/м3. Емкость с пенобетонной смесью 9 закрепляли внутри сосуда с водой 3 таким образом, чтобы она полностью находилась в воде. Положение емкости в сосуде с водой регулировали с помощью грузов 1, для того чтобы утрачиваемая газовая фаза вынуждена была перемещаться в и-образную трубку 7. По шкале 6 и-образной трубки осуществляли отсчет объема газовой фазы, утрачиваемой при переходе смесей из вязкого в упругопластичное состояние.
В ходе эксперимента фиксировали:
— плотность смесей;
— пластическую прочность в момент укладки смесей в полиэтиленовый сосуд;
— температуру.
Полученный результат свидетельствует о конструктивном и весьма значимом влиянии дисперсного армирования на плотность структуры межпоровых перегородок. Из рис. 2 следует, что пеносмеси, не содержащие фибры, удерживают вовлеченный воздух в довольно узком диапазоне В/Т, от 0,4 до 0,55. А фибропеносмеси при максимальном насыщении дисперсной арматурой способны сохранять газовую фазу в интервале водосо-держания от 0,45 до 1. Расширение интервала водосо-держания в 3,5 раза свидетельствует о том, что агрегаты дисперсных частиц, составляющие межпоровые перегородки, более плотные и прочные. В этот период структура межпоровых перегородок еще не имеет прочных кристаллических связей между дисперсными компонентами сырья.
fj научно-технический и производственный журнал
® апрель 2014 85
Кроме того, из анализа данных, приведенных на рис. 3 следует, что пенобетонные смеси без дисперсной арматуры теряли газовую фазу в течение длительного периода, достигающего 5 ч. То есть структура межпоро-вых перегородок таких бетонов подвергалась перестройке в результате ударного (флуктуационного) воздействия коалесценции, до тех пор пока упруговязкие связи новообразований цементного вяжущего не достигли достаточной прочности. В фибропенобетонных смесях возможность потерь газовой фазы длилась не
Список литературы
1. Моргун В.Н. Особенности эволюции ПАВ в пено-бетонных смесях // Строительные материалы. 2007. № 9. Наука. № 10. С. 20-21.
2. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 398 с.
3. Моргун В.Н. Теоретическое обоснование закономерностей конструирования структуры пенобетонов // Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве SIB-2008». Том 1. Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. Книга 1. Воронежская ГАСА. 2008. С. 333-337.
4. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 136 с.
5. Зимон Я.С. Адгезия пыли и порошков. М.: 1963. 416 с.
6. Моргун В.Н. Влияние формы компонентов на интенсивность межчастичных взаимодействий в пено-бетонных смесях // Технологии бетонов. 2009. № 2 (31). С. 64-66.
7. Mandelbrot B. Les Objects Fractal. France. Flammanon. 1995. 200 p.
более 2,5 ч. Такое сокращение продолжительности преобладания вязких связей свидетельствует об ускоренном формировании упругопластичных.
На основании изложенного можно заключить, что научное обоснование и экспериментальная оценка влияния дисперсного армирования на проницаемость меж-поровых перегородок в пенобетонных смесях показали эффективность применения синтетической дисперсной арматуры для улучшения эксплуатационных свойств пенобетонов.
References
1. Morgun V.N. About nanoscale features of the evolution of surfactants in foam concrete mixes. Stroitel'nye mate-rialy. 2007. No. 9. Supplement Nauka. № 10, pp. 20-21. (In Russian).
2. Deryagin B.V., Churaev N.V., Muller V.M. Poverkh-nostnye sily [The surface forces]. Nauka. Moscow: 1985. 398 p.
3. Morgun V.N. Theoretical substantiation of foam concrete structure design patterns. Materials of the international congress «Science and Innovation in the construction of SIB-2008». Voronezh. 2008. Vol. 1, pp. 333-337.
4. Smirnov B.M. Fizika fraktal'nykh klasterov [Physics of fractal clusters]. Nauka. Moscow: 1991. 136 p.
5. Zimon Ya.S. Adgeziya pyli i poroshkov [Adhesion of a dust and powders]. Moscow: 1963. 416 p.
6. Morgun V.N. Influence of the form components on the intensity of interparticle interactions in foam concrete mixes. Tekhnologii betonov. 2009. No 2(31), pp. 54-66. (In Russian).
7. Mandelbrot B. Les Objects Fractal. Flammanon. France: 1995. 200 p.
—ЖМинистерство архитектуры и строительства РБ /■■■■■S Союз строителей РБ, Институт НИИСМ, Институт БелНИИС ячеистый журнал «Архитектура и строительство»
БЕТОН НПООО «Стринко»
VIII Международная научно-практическая конференция
ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ
11-13 июня 2014 г. Минск и Могилев, Республика Беларусь
Программой конференции предусмотрено посещение ЗАО «Могилевский КСИ»
Оргкомитет:
Республика Беларусь, 220005, г. Минск, ул. Платонова, 22, оф. 305 Тел./факс: (+375 17) 292 49 56, 292 79 43, 292 79 44; моб.: (+375 29) 611 66 20
E-mail: [email protected] www.ais.by
86
научно-технический и производственный журнал
апрель 2014
j "А ®
