CC BY
12УДК 666.9
П.В. СМИРНОВА, канд. техн. наук, Л.В. МОРГУН, д-р техн. наук, Ростовский государственный строительный университет; В.Н. МОРГУН, канд. техн. наук, Институт архитектуры и искусств Южного федерального университета (ИАиИ ЮФУ) (Ростов-на-Дону)
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности управления величиной усадочных деформаций в пенобетонах неавтоклавного твердения
Усадку при твердении проявляют все композиционные материалы, содержащие в качестве минерального вяжущего портландцемент или его разновидности. Ее величина преимущественно обусловлена параметрами рецептуры исходных компонентов и складывается из нескольких составляющих: контракционной, влаж-ностной, карбонизационной.
Максимальный вклад в величину усадки и, как следствие, в меру исходной дефектности строительных материалов, содержащих цементное вяжущее, вносят кон-тракционный и влажностный виды усадки. Особенно ярко их негативное влияние на эксплуатационные свойства материалов проявляется в пенобетонах [1]. Тому есть ряд причин, к важнейшим из которых следует отнести:
— повышенный расход цемента по отношению к массе заполнителя. Как правило, в пенобетонных смесях соотношение цемент:заполнитель составляет от 1:0,5 в теплоизоляционных материалах и до 1:2 в материалах конструкционного назначения [2, 3];
— высокую величину площади удельной поверхности межпоровых перегородок в структуре пенобетонов. Для бетонов плотностью 400 кг/м3 она составляет примерно 100—110 см2/г, а для плотности 900 кг/м3 - 30-35 см2/г;
— параметры капиллярной пористости межпоровых перегородок, величина которых достигает 20—40% от объема твердой фазы [4].
Перечисленные особенности состава и структуры пенобетонов управляют величиной их контракционной и влажностной усадок. Размеры усадочных деформаций предопределяют высокую чувствительность изделий из пенобетонов к колебаниям относительной влажности окружающей среды, что влечет за собой недостаточную устойчивость этих материалов к атмосферным воздействиям и, как следствие, ограничение области применения в строительстве или дополнительные расходы при возведении зданий [3, 5].
В технологии пенобетонов существует ряд приемов, с помощью которых специалисты, сохраняя привлекательные для строительства свойства, пытаются снижать меру негативного влияния контракционной и влаж-ностной усадок на эксплуатационную надежность материалов [5]. В данной работе представлены результаты исследований влияния некоторых рецептурных факторов на величину усадочной деформации затвердевших материалов, зависящей от особенностей массопереноса в них в период раннего структурообразования.
Рассмотрим эти процессы на микроуровне, когда величина упругих связей, возникающих в результате отвердевания цементного камня, еще пренебрежимо мала. В это период агрегативная устойчивость элементов структуры обеспечивается только комплексом слабых взаимодействий между всеми дисперсными компо-
нентами рассматриваемых смесей. Капиллярные силы в таких дисперсных системах рассматривают как результат скомпенсированности межфазных поверхностных натяжений на линии примыкания мениска к стенке капилляра. Силы вандерваальсового взаимодействия между твердыми частицами таких дисперсных систем убывают пропорционально расстоянию от их поверхности в седьмой степени [6], а капиллярное давление изменяется обратно пропорционально радиусам капиллярных менисков [5].
Бетонные смеси, не содержащие ПАВ, становятся агрегативно неустойчивыми дисперсными системами при средней толщине водных пленок на поверхности дисперсных частиц твердой фазы около Ы0-7м [5]. При наличии вовлеченной с помощью ПАВ газовой фазы, средняя толщина водных пленок в агрегативно устойчивых суспензиях, по данным [7], достигает (5—15).10-7м. Следовательно, ПАВ способствуют переводу межчастичной воды из свободного состояния в связанное и тем самым создают энергетические условия для повышения агрегативной устойчивости суспензий после вовлечения в их состав дисперсной газовой фазы.
Вовлекая газовую фазу в дисперсную систему ПАВ, повышают ее седиментационную устойчивость потому, что часть свободной межчастичной воды переходит в состояние, физически связанное пенными пленками. После завершения перемешивания в таких обводненных дисперсных системах активно протекает процесс формирования кластеров из частиц твердой фазы, которые после затвердевания цемента будут обеспечивать прочность и деформативность межпоровых перегородок в пенобетоне. Наличие этого процесса экспериментально подтверждено тем, что с течением времени пе-носмеси утрачивают вязкие и обретают упругие свойства, т. е. становятся пенобетонами. Величина межчастичного взаимодействия [6] в дисперсных системах, влияющих на интенсивность массопереноса в период раннего структурообразования, зависит от формы частиц:
А-г ш-Нп
(1)
где F — сила притяжения между частицами, Н; Н — расстояние между частицами, м; А — константа, характеризующая суммарное действие ориентационного и дисперсионного факторов, -1/Н; г — размер частицы, м; т, п — коэффициенты (при взаимодействии шарообразных частиц т=12, п=2; шарообразной и протяженной т=6, п=2).
Поэтому дисперсно-армированные пенобетонные смеси быстрее формируют межпоровые перегородки [8], которые обладают цепочной структурой зернистого кластера (рис. 1).
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 96 апрель 2013 Ы *
1
-"V
Рис. 1. Схема расположения дисперсных частиц в структуре межпоро-вой перегородки фибропенобетонной смеси: 1 - воздушная пора; 2 -молекула ПАВ в пленке на границе раздела газ - жидкость; 3 - физически связанная вода; 4 - частицы цемента; 5 - фибра; 6 - частицы заполнителя
Скорость формирования кластеров в любой дисперсной системе зависит от размеров частиц, расстояний между ними и величины энергетического потенциала поверхности, к которой они должны перемещаться [5, 6]. Кроме того, ранее установлено [9, 10], что понижение температуры воды затворения до +4—+20оС обеспечивает равноплотным пенобетонным смесям пониженную водопотребность и ускоренный переход из вязко-пластичного состояния в твердое.
Анализируя особенности массопереноса в пенобе-тонных смесях, можно утверждать, что при формировании кластеров в структуре их межпоровых перегородок мелкие частицы зернистой фазы перемещаются к поверхности энергетически мощного компонента быстрее крупных и упаковываются плотнее [5]. В фибропенобе-тонных смесях таким компонентом, безусловно, является фибра. Следовательно, в объеме кластеров, образованных на поверхности фибры, после гидратации и отвердевания клинкерных минералов будет образован меньший объем пустот, возникающий в результате контракции цементного камня и испарения воды, не прореагировавшей с клинкерными минералами цемента.
Экспериментальную оценку достоверности изложенной выше теории понижения дефектности структуры межпоровых перегородок в пенобетонах осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 25485 и ГОСТ 24544 на образцах-балочках размером 40x40x160 мм, с медными реперами в торцах. Измерения проводились с точностью 0,01 мм на специальной стойке с индикатором часового типа. Образцы изготавливали из равно-плотных пено- и фибропенобетонов (средняя плотность 620+10 кг/м3). Развитие усадочных деформаций наблюдали в течение 1 г. (рис. 2).
Экспериментально установлено, что принципиально характер развития деформаций в исследованных разновидностях пенобетонов в течение 90 дней с момента их изготовления практически идентичен и различается только по величине (рис. 2). Далее все фибропенобето-ны демонстрируют стремление к затуханию деформаций усадки, а пенобетон продолжает ее наращивать. Следовательно, в его структуре продолжают развиваться массообменные процессы, обеспечивающие рост дефектности межпоровых перегородок.
Важно отметить, что на абсолютную величину усадки фибропенобетонов при твердении существенное
Время, сут
-■— Ь=+4°С фибропенобетон -д- ^¡=20,5оС пенобетон -*- tв=+20,5°С фибропенобетон -о— ^=+37оС фибропенобетон
Рис. 2. График зависимости усадки при твердении пенобетонов и фибропенобетонов, изготовленных при разной температуре воды затворения
влияние оказывает температура воды затворения. Итоговая величина усадки в материалах, затворенных холодной водой, минимальна. В фибропенобетонах, изготовленных на охлажденной воде, раньше всего завершается развитие деформаций усадки. Изделия из такого материала первыми стабилизируют свои геометрические размеры, что чрезвычайно важно для применения пенобетонов неавтоклавного твердения на практике.
Ключевые слова: фибропенобетон, структурообразо-вание, усадочная деформация, структура, межпоровая перегородка, усадка.
Список литературы
1. Моргун Л.В., Смирнова П.В., Костыленко К.И., Пушенко О.В. О влиянии температуры на особенности формирования структуры пенобетонных смесей // Инженерный вестник Дона. 2012. № 1.
2. Рыбьев И.А. Решение научно-практических задач по обобщениям в бетоноведении // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы VII акад. чтений РААСН. Белгород. 2001. Ч.1. С.462—465.
3. Гаджилы Р.А. Целенаправленное изменение пористой структуры строительных материалов // Строительные материалы. 2001. № 8. С.41—43.
4. Перехоженцев А.Г. Вопросы теории и расчета влаж-ностного состояния неоднородных участков ограждающих конструкций зданий. Волгоград: ВолгГАСА, 1997. 273 с.
5. Управление процессами технологии, структурой и свойствами бетонов / Под ред. Е.М. Чернышева, Е.И. Шмитько Воронеж: ГАСУ, 2002. 344 с.
6. АхматовА.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. 380 с.
7. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетонной смеси и пресс вакуум-бетона. Минск: Наука и техника, 1977. 231 с.
8. Моргун В.Н. Влияние формы компонентов на интенсивность межчастичных взаимодействий в пенобе-тонных смесях // Технологии бетонов. № 2 (31). 2009. С.64—66.
9. Смирнова П.В., Моргун Л.В., Моргун В.Н. О взаимосвязи между термодинамическими свойствами воды и пенобетонов // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 14—16.
10. Моргун Л.В., Моргун В.Н., Смирнова П.В., Бацман М. О. Зависимость скорости формирования структуры пенобетонов от температуры сырьевых компонентов // Строительные материалы. 2008. № 6. С.50—52.
научно-технический и производственный журнал
апрель 2013
97
