Учет особенностей наноструктуры сырья в технологии пенобетонов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ИНЖЕНЕРНЫЙ ВЕСТНИК ДОНА, № 2, 2007, стр. 51-57

УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ НАНОСТРУКТУРЫ СЫРЬЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОБЕТОНОВ

© 2007 г. В.Н. Моргун, П.В. Смирнова, М.О. Бацман Ростовский государственный строительный университет

В пенобетонных смесях интенсивность и скорость межчастчных взаимодействий, проявляющихся в период после завершения перемешивания сырьевых компонентов, регулирует особенности их перехода из вязко-пластичного в упругое состояние. Чем быстрее в таких смесях вязкие связи заменяются упругими, тем выше качество получаемых бетонов.

Известно [1], что бетонные смеси, не содержащие поверхностно активных веществ (далее ПАВ), становятся агрегативно неустойчивыми дисперсными системами при средней толщине водных пленок примерно 1-10-7м. В пенобетонных смесях, где основная часть ПАВ находится на границах раздела «газ -жидкость», средняя толщина, водных пленок в 5... 15 раз больше [2]. Сохранение агрегативной устойчивости дисперсной системы при столь существенной разнице в водосодержании оказывается возможным только потому, что молекулы ПАВ в процессе перемешивания, обеспечивающего их перемещение на границу раздела «газ-жидкость», связывают значительное количество межчас-тичной воды в составе жидких кристаллов пенных пленок [3].

Равновесие между компонентами пенобетонных смесей после завершения перемешивания нарушается довольно быстро [3], поскольку химическая и адсорбционная диспергация цемента способствует переводу межчастичной объемной воды в физически связанное состояние, обеспечивая, таким образом, понижение упругости пенных пленок [4]. Понижение упругости пенных пленок не опасно до тех пор, пока ПАВ не достигнута критическая концентрация ми-целлобразования (далее ККМ), приводящая к коалесценции, то есть разрыву жидких кристаллов и объединению мелких пор в крупные. Скачкообразная перестройка структуры бетонных смесей в период преобладания вязких связей между компонентами приводит к накоплению дефектов в структуре межпоро-вых перегородок и отрицательно влияет на механические свойства затвердевшего материала. Поэтому так важно сохранение агрегативной устойчивости пенобетонных смесей в период их перехода из вязкого состояния в упругое.

Сохранение агрегативной устойчивости смесей возможно до тех пор, пока силы связи между дисперсными частицами выше напряжений растяжения, возникающих в межпоровых перегородках под действием выталкивающей силы, развиваемой газовыми включениями. Следовательно, рецептура качественных пенобетонных смесей должна обеспечивать такую скорость набора прочности, при которой будет исключена возможность утраты ими газовой фазы и расслоения.

Анализ причин утраты агрегативной устойчивости дисперсными системами показывает, что скорость их расслоения (V) [5] прямо пропорциональна квадрату радиуса частиц дисперсной фазы (г) и разности плотностей частицы (/) и среды ( 5), обратно пропорциональна вязкости среды ( ):

Уравнение (1) отражает влияние наносвойств компонентов смесей на процесс расслоения в том случае, когда дисперсная система характеризуется постоянством параметров дисперсионной среды и имеет один вид дисперсной фазы. Пенобетонные смеси - это суспензии композиционного типа, в которых содержится несколько видов дисперсных фаз, а дисперсионная среда имеет, в свою очередь, так же композиционный состав. Плотность дисперсных частиц твердой фазы - больше плотности дисперсионной среды, а плотность дисперсных частиц газовой фазы - меньше. Масштаб различий плотности фаз превышает 10 . Оба вида дисперсных фаз способны изменять меру своей дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость смеси предопределяется только величиной вязких сил сцепления между компонентами, которые по интенсивности взаимодействия относятся к слабым.

Способность дисперсных систем в период проявления слабых взаимодействий между частицами дисперсных фаз формировать фракталы (масштабные множества) и кластеры и, тем самым, способствовать уменьшению суммарной межфазной энергии дисперсной системы, свидетельствует об их потенциале в области самоорганизации при наличии термодинамического неравновесия.

Анализ наносвойств дисперсных частиц, составляющих пенобетонные смеси, применительно к наиболее вероятному направлению формирования их структуры в результате перемешивания компонентов (способа образования,

V = 2 • г 2 • (Рг-Р ) 9 • п

(1)

формы и размеров кластеров), показывает, что эти частицы обладают следующими свойствами:

• некоторым энергетическим потенциалом поверхностной энергии (материалы в перечне расположены в порядке убывания энергии на единицу массы: зерна цемента, волокна фибры, зерна заполнителя);

• их геометрические размеры (как минимум 2 размера из 3-х) таковы, что на этапе начального структурообразования влиянием сил тяжести на траекторию их движения в объеме смеси можно пренебречь;

• фибра в 1000 и более раз длиннее самой крупной частицы цемента, поэтому в рассматриваемой дисперсной системе её следует позиционировать, как протяженную поверхность раздела фаз;

• размеры частиц заполнителя находятся внутри диапазона размеров фибры и вяжущего;

• гибкость фибры такова, что под действием капиллярных сил, развивающихся при увлажнении компонентов пенобетонной смеси, она может принимать любую конфигурацию [3].

При смешивании компонентов дисперсная система, состоящая из воды, ПАВ, цемента, заполнителя и фибры, подвергается деформационному воздействию со стороны смесительного агрегата. При деформации сдвига или сжатия с одновременным сдвигом перемещение частиц дисперсной фазы сопровождается ориентацией той их части, у которой хотя бы одно пространственное измерение отличается от двух других, в направлении действия максимальных направлений сдвига [6]. Вследствие ориентации плоских и волокнистых частиц дисперсная система (на уровне межпоровой перегородки) приобретет анизотропную структуру, характеризующуюся волновым порядком упаковки твердых частиц в направлении их минимального размера. Волновой характер распространения механического воздействия в обводнённой дисперсно-зернистой системе формирует порядок чередования слоёв (рис. 1). Чем полнее прошел процесс релаксации, тем определенней выражены эти слои. При формировании структур строительных материалов в процессе перемешивания именно мельчайшие частицы цемента первыми перемещаются к протяженным поверхностям раздела фаз. Поэтому траектории движения компонентов твёрдой фазы при агрегации в кластеры всегда будут направлены к поверхности фибры, а по-

рядок упаковки - определяться геометрическими размерами зернистых частиц и конфигурацией дисперсной арматуры.

Рис. 1. Схема фрагмента межпоровой перегородки в фибропенобетоне

1 - газовая дисперсная фаза; 2 - молекулы ПАВ в составе жидкого кристалла на границе раздела «газ-жидкость»; 3 - вода в составе жидкого кристалла;

4 - частицы заполнителя; 5 - отдельные молекулы ПАВ; 6 - зерна цемента; 7 - фибра.

Интенсивность межчастичного взаимодействия [7] регулируется не только величиной поверхностной энергии, которой обладают частицы, но и их формой:

Е=-(Л г)/(т Нп), (2)

где ^ - сила притяжения между частицами;

Н - расстояние между частицами;

А - константа, характеризующая суммарное действие ориентационного и дисперсионного факторов;

т, п - коэффициенты (при взаимодействии шарообразных частиц т=12, п=2; шарообразной и протяженной т=6, п=2).

Из уравнения (2) следует, что силы сцепления между частицами, размеры которых постоянны во всех направлениях трехмерного пространства ниже, чем силы сцепления между шарообразной и протяженной частицами. Таким образом, из анализа свойств и возможных перемещений дисперсных частиц, составляющих пенобетонную смесь, следует, что наиболее вероятным направлением формирования структуры межпоровых перегородок в рассматриваемом типе смеси [8] будет сборка кластерных агрегатов по типу 5 (табл. 1). Наличие в пенобетонной смеси протяженных поверхностей раздела фаз должно привести к ускорению процесса сборки кластеров и повышению их прочности. По мере роста связности дисперсной системы за счёт дисперсного армирования, носителями важнейших свойств пенобетонной смеси, станут не зерна вяжущего с сольватными оболочками воды, а крупные агрегаты, состоящие из фибры и, закрепившихся на её поверхности, обводненных частиц вяжущего и заполнителя. Появление таких агрегатов свидетельствует о формировании кластерных структур и указывает на возможность управления агре-гативной устойчивостью системы с помощью дисперсного армирования.

Таблица 1

Параметры фрактальных размерностей кластеров (Б), образующихся при агрегации дисперсных частиц [8]

№ Схема движения частиц при агрегации Размерность пространства по Мандельброту (ё )

2(плоскость) 3 (объем)

1 Прямолинейная траектория, кластер - частица 2 3

2 Броуновское движение, кластер - частица 1,68+0,02 2,46+0,05

3 Прямолинейная траектория, кластер - кластер 1,54+0,03 1,94+0,08

4 Броуновское движение, кластер - кластер 1,44+0,04 1,77+0,03

5 Кластер - кластер, малая вероятность прилипания (КЬСЛ - модель) 1,55+0,03 1,60+0,01* 2,02+0,06 2,11+0,02*

Примечание: * - для полидисперсных систем.

Экспериментальную проверку изложенных выше рассуждений о влиянии дисперсного армирования на интенсивность межчастичных взаимодействий, возникающих после завершения перемешивания компонентов в пенобетонных смесях, осуществляли по величине пластической прочности. Анализировалась скорость роста пластической прочности равноплотных смесей, в зависимости от содержания в них дисперсной арматуры. На рис. 2 представлены результаты измерений в течение 7 часов, после завершения перемешивания.

Полученные данные подтверждают достоверность приведенных выше рассуждений и послужили основой для разработки энергосберегающей технологии производства ячеистых бетонов в ЗАО «ФИПЕБ», которое в течение ряда лет осуществляет выпуск высококачественных изделий следующей номенклатуры:

• теплоизоляционные, стеновые и перегородочные блоки;

• галтели;

• перемычки;

• карнизные изделия.

с

.о

н

о

0

1 У

о

С

к

го

*

о

0)

У

н

о

го

с

С

2000 □

1800 /х ' 1

1600 ' / // о

1400 // ' // /

1200 /7 ' /V /

1000 // /7 /

800

600 7 X

400

200 0 2 1 1 1 1

0 100 200 300 400 500

Время твердения, мин

—О—0% -0,50% -О - 1% -Х--2% --Е1--3%

Рис. 2. График зависимости пластической прочности пенобетонных смесей от содержания дисперсной арматуры и времени твердения

Продукция, выпускаемая ЗАО «ФИПЕБ», нашла применение при строительстве:

• многоэтажных жилых домов каркасного типа;

• коттеджей высотой до 3-х этажей;

• хлебозавода и цеха розлива масла АПГ «Юг Руси»;

• офисного центра «Купеческий двор»;

• выставочного комплекса «Роствертол» и др.

Литература

1. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетонной смеси и прессвакуумбетона. Минск, "Наука и техника", 1977. - 231 с.

2. Управление процессами технологии, структурой и свойствами бетонов / Под ред. Е.М.Чернышева, Е.И. Шмитько: Воронеж ГАСУ, 2002. - 344 с.

3. Моргун Л.В., Моргун В.Н. О жидкокристаллической природе агрегативной устойчивости пенобетонных смесей // Строительные материалы, 2006, №6. - С. 22-23.

4. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ.- СПб: "Химия", 1992. - 280 с.

5. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Уч-к для ВУЗов. - 3-е изд. ис-правл. - СПб: "Химия",1995. - 400 с.

6. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения. Москва, 1963. - 380 с.

7. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М: Наука, 1991. - 136 с.