Управление эксплуатационной деформируемостью и трещиностойкостью макропористых (ячеистых) бетонов. Часть 1. Контекст проблемы и вопросы теории Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.327

Е.М. ЧЕРНЫШОВ, д-р техн. наук, академик РААСН; Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)

Управление эксплуатационной деформируемостью и трещиностойкостью макропористых (ячеистых) бетонов. Часть 1. Контекст проблемы и вопросы теории*

Представлено научное обобщение по проблеме развития эксплуатационных влажностных и карбонизационных деформаций макропористых силикатных и цементных бетонов. Механизм влажностных деформаций рассмотрен через изменение напряженного состояния материала в результате действия сил связи его твердой фазы и порового пространства с водой. Обосновано введение модели вероятного и фактического деформирования структуры ячеистого бетона при обезвоживании. Механизм карбонизационных деформаций раскрыт в рамках макрокинетики физико-химических гетерогенных процессов взаимодействия структуры с углекислотой воздуха. Показано, что мера деформирования и деструкции материала зависит от степени карбонизации и величины ее градиента по размеру строительной конструкции. Сформулированы структурные факторы управления эксплуатационной деформируемостью макропористого (ячеистого) бетона, приведена система рецептурно-технологических факторов их регулирования.

Ключевые слова: ячеистые бетоны, влажностная усадка, карбонизационная усадка.

E.M. CHERNYSHOV, Doctor of Technical Sciences, Academician of RAACS; G.S. SLAVCHEVA, Doctor of Technical Sciences

The Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh, 394006, Russian Federation)

Control over Operational Deformability and Crack Resistance of Macro-porous (Cellular) Concretes: Context of Problem and Issues of Theory

The scientific generalization of the problem of operational moist and carbonizing deformation of macro-porous silicate and cement concretes is presented. The mechanism of moist deformations is considered through the change of stress condition of the material as a result of action of binding forces of its hard phase and the porous space with water. The introduction of the model of probable and actual deformation of structure of cellular concrete in the course of dehydration is substantiated. The mechanism of carbonizing deformations is revealed within the frame of macro-kinetics of physical and chemical heterogeneous processes of interaction of the structure with air carbon dioxide. It is shown that the measure of deformation and destruction of the material depends on the degree of carbonization and the value of its gradient on the size of the building structure. Structural factors of control over the operational deformation of macro-porous (cellular) concrete are formulated; the system of prescribed-technological factors of their regulation is presented.

Keywords: cellular concretes, moist shrinkage, carbonizing shrinkage.

Постоянно расширяющееся применение в строительстве макропористых (ячеистых) бетонов обусловлено технико-экономическим потенциалом их конкурентоспособности, подтвержденным в том числе и в кризисный для многих стеновых материалов период введения известных изменений № 3 к СНиП 11-3—79* «Строительная теплотехника». Но на фоне высокой эффективности, несмотря на более чем 50-летний опыт массового использования, проблема эксплуатационной деформируемости и трещиностойкости этих бетонов остается по-прежнему актуальной [1—9].

Обращаясь к этой проблеме, необходимо специально отметить, что за 50 лет, а особенно за последние 20 лет, в практике производства и применения данных бетонов произошли этапные изменения и сменилось несколько их поколений. В настоящее время мы являемся свидетелями принципиально нового витка в развитии их производства и применения, если в качестве первого витка иметь в виду науку и практику 1940-1960-х гг., когда осваивались пено- и газобетоны, пено- и газосиликаты, технологии пропаренных и автоклавных ячеистых бетонов и т. п. В тот период наряду с успехами рождения и утверждения пено- и газобетонов имели место и явно негативные результаты в отношении их усадочности и трещиностойкости, вследствие чего в практике строительства преимущество было отдано автоклавным их разновидностям. Но радикальные этапные изменения происходили и в последующем. В отличие от периода 1960—1990-х гг. ячеистые бетоны в современном строительстве применяются в основном не

в виде крупноразмерных армированных стеновых изделий, а в виде кладки из мелкоштучных блоков. В качестве альтернативы автоклавным технологиям просматривается тенденция возврата к использованию заводских неавтоклавных технологий, технологий естественного твердения в построечных условиях при возведении зданий монолитным способом. Это обостряет проблему.

Определяющим свойством макропористых (ячеистых) бетонов всегда являлась их конструкционная трещиностойкость, обусловливаемая технологической и эксплуатационной деформируемостью материала. Во многом именно показателями трещино-стойкости определяется работоспособность и долговечность конструкций из них. Для некоторых разновидностей ячеистых бетонов это свойство в настоящее время оказывается камнем преткновения. Вот почему важным представляется обобщение накопленного большого научного и практического знания по указанной проблеме.

Авторы при подготовке статьи сочли целесообразным предложить рассмотрение проблемы в контексте технологических и инженерных ее сторон как в отношении разновидностей технологий, структур макропористых бетонов и вариантов конструкций из них, так и в отношении построенных и вновь строящихся объектов.

Научное обоснование факторов управления деформа-тивными свойствами и эксплуатационной трещиностойкостью ячеистых (макропористых) бетонов в конструк-

* Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки Воронежскому ГАСУ на 2013 г., а также плана фундаментальных НИР РААСН.

Таблица 1

Движущие силы и система процессов, определяющих деформирование макропористых (ячеистых) бетонов в их жизненном цикле

Периоды жизненного цикла Технологический цикл Эксплуатационный цикл

Твердение Распалубка материала Твердение и набор прочности Загружение Работа под нагрузкой

Тип системы материал-среда Закрытая Открытая

Движущие силы изменений состояния материала Внутренние Неравновесное термодинамическое состояние системы твердения

Внешние Неравновесное со средой тепловое состояние материала

- Неравновесное со средой вещественное состояние материала

- Неравновесное напряженное состояние материала от воздействия механической нагрузки

Процессы изменения состояния материала От внутренних движущих сил Гидратация и твердение

Тепловыделение

От внешних движущих сил Теплообмен со средой (нагревание-охлаждение)

- Массообмен со средой (высыхание, увлажнение-высушивание)

Химическая коррозия

Сжатие-растяжение

Состояние материала в строительной конструкции Градиентное по степени гидратации и твердения

Градиентное по температуре

- Градиентное по влажности

Градиентное по степени химической коррозии

Градиентное по уровню напряжений

Составляющие объемных изменений материала в конструкции Контракция

Температурные деформации

- Влажностные деформации

Деформации от химической коррозии

- Деформации от механической нагрузки

Мгновенные Длительные

циях определяется следующим пониманием проблемы проявления материалом деформаций:

— эксплуатационное деформирование материала в строительной конструкции является частью и отражением процесса сопротивления разрушению и сопровождается его деструкцией вследствие возможного трещи-нообразования;

— напряжения и деформации материала при работе в конструкциях складываются под воздействием внутренних и внешних движущих сил изменений его состава, структуры и развиваются в условиях формирования макро- и микроградиентности состояния материала в конструкции;

— потенциал внутренних движущих сил изменений обусловлен неравновесностью термодинамического состояния развивающейся и эволюционирующей системы твердения, а потенциал внешних сил — мерой неравновесности энергетического и вещественного состояния материала по отношению к условиям и факторам внешней среды;

— динамика процессов изменения состояния материала определяется качественными особенностями полученной в технологическом цикле структуры материа-

ла и интенсивностью действия на него факторов среды в эксплуатационном цикле;

— результат деформирования является следствием складывающегося в структуре материала баланса сил и напряжений при развитии совокупности механо-физико-химических процессов твердения материала в технологическом цикле и процессов структурных изменений в нем под влиянием внешней среды;

— управление эксплуатационной трещиностойко-стью материала рассматривается через возможность изменения потенциала сил его деформирования посредством регулирования параметров его состава, структуры и состояния на момент изготовления и посредством изменения условий и интенсивности эксплуатационных воздействий на конструкцию.

Раскрывая и конкретизируя эти положения, целесообразно исходить из представлений, отражающих наиболее общий и потенциально наиболее неблагоприятный вариант формирования и изменения свойств ячеистых (макропористых) бетонов, каковым является вариант получения материала при твердении и последующей его службе в монолитных конструкциях (табл. 1).

Развивающиеся во времени в условиях воздействия внешних и внутренних движущих сил реакции синтеза новообразований и твердения материала с соответствующими тепловыми экзоэффектами, развивающиеся градиентные процессы тепло- и массообмена образующего конструкцию массива материала со средой, наблюдаемые процессы сжатия и растяжения материала от механических нагрузок сопровождаются соответствующими объемными изменениями 2етэ в технологическом и эксплуатационном цикле. Они отражают синергетическое совлияние физико-химических самопроизвольных деформаций системы твердения Етв, температурных zt и влажностных ew деформаций, деформаций от химической коррозии (в том числе карбонизации) Екарб и, наконец, от действия механической нагрузки емех:

^ЕТЭ = ,АЕтв; Et; Ew; Екарб; Емех; т). (1)

Критерием потенциала сопротивления материала трещинообразованию Хгр(т) в конструкциях может служить соотношение между его предельной растяжимостью Ер(т) и синергетически суммированными деформациями в технологическом и эксплуатационном цикле Хетэ(т):

Ктр(т) = Ер(т)/^Етэ(т). (2)

Данное соотношение, рассматриваемое в качестве показателя для прогнозирования трещиностойкости, отражает положение о том, что трещины в конструкции возникают в момент времени т(-, когда в поверхностных растянутых слоях полные напряжения от деформаций Хетэ(т;) превосходят предельную растяжимость Ер(т(). Значение Ктр(т()>1 отвечает полной трещиностойкости материала. Чем меньше будет значение Кгр(т,), тем более вероятным окажется образование трещин в материале и конструкции.

На фоне развития деформаций в ходе структуро-образования и эволюции структуры, проявления деформаций от механической нагрузки, температурных воздействий решающий вклад в суммарную величину указанной совокупности деформаций вносят прежде всего влажностные деформации и деформации от химической коррозии (карбонизации). Поэтому на механизме их проявления и факторах управления остановимся более детально.

С учетом анализа и обобщения классических представлений, изложенных в трудах А.С. Аведикова (А.С. Аведиков, М.С. Остриков, Г.Д. Дибров. Об усадочном напряжении в дисперсных структурах // Докл. АН СССР, серия Химия, 1965. Т. 163. № 4, 5, 6. С. 1185-1188); Г.Д. Диброва, К.Г. Красильникова, З.Н. Цилосани (А.Е. Десов, К.Г. Красильников, З.Н. Цилосани. Некоторые вопросы теории усадки бетона // Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций / Под ред. С.В. Александровского. М.: Стройиздат, 1976. С. 211-255; З.Н. Цилосани. Усадка и ползучесть бетона. Тбилиси: Мецниереба, 1979. 230 с.); А.Е. Шейкина и др. (А.Е. Шейкин. Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня. М.: Стройиздат, 1974. 191 с.; К.Г. Красильников, Л.В. Никитина, Н.Н. Скоблинская. Физикохимия собственных деформаций цементного камня. М.: Стройиздат, 1980. 256 с.), механизм влажностных деформаций набухания-усадки рассматривается авторами [10, 11] в рамках положения о том, что их проявление предопределяется изменением напряженного состояния материала и изменением его объема вследствие «задействования» или «высвобождения» сил, участвующих в связи его твердой фазы и порового пространства с жидкой фа-

max / / ^г Влагосодержание \ J iîVfl • t

ri « * \ ^ min

I * Время выс ^^ ПЕРИО II Ахания ДЫ • III —т IV

ПЕРИОДЫ

I - удаление свободной воды,

II - удаление капиллярно-насыщенной воды;

II - удаление капиллярно-конденсированной воды, завершающееся

полным исчезновением сил капиллярного стяжения; IV- удаление адсорбционной, гидратной и кристаллохимически связанной воды

Рис. 1. Развитие усадочного напряжения Р0(т) при удалении влаги из материала (по А.С. Аведикову, М.С. Острикову, Г.Д. Диброву): Р0(т) - равнодействующая составляющих усадочного напряжения;

- силы капиллярной контракции; - напряжения противодействия структуры; Рк - напряжения когезионно-адгезионного взаимодействия в контактах частиц

зой. В этом смысле укажем, что при увлажнении-обезвоживании любого элементарного объема материала проявляется действие: капиллярных сил и сил поверхностного натяжения, если в материале изменяется содержание свободной, капиллярно- и адсорбционно-связанной воды; сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц; сил внутренних связей в кристаллогидратах, если в структуре изменяется содержание межслоевой, гидратной и межкристаллической воды; сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию силами поверхностного натяжения при полном обезвоживании на фоне одновременно протекающих релаксационных процессов в ней.

В итоге величина влажностных деформаций для всех характерных периодов увлажнения-обезвоживания материала оказывается функцией равнодействующей этих сил (рис. 1). Мера этих сил в материале принимается и считается зависящей от его состава и структуры, поскольку, собственно, этим и обусловливается возможное содержание в материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой твердой фазы и порового пространства. Проявление же действия этих сил зависит от состояния и меры увлажнения-обезвоживания и соответственно вида удаляемой или поглощаемой структурой материала воды. В широком диапазоне варьирования состава и структуры силикатного (цементного) микробетона и ячеистого бетона величина удельной усадки материала для капиллярно-насыщенной и капиллярно-конденсированной воды может лежать в интервале 4-10-2—8-10-3; адсорбционной и межслоевой воды — " (3—4)10-1 мм/м на

Влагосодержание О-»-тах

Влагосодержание О-тах

Влагосодержание

Тип III

Рис. 2. Типичные кривые усадки строительных материалов при обезвоживании [11]: £„ - полная влажностная усадка; £кн - усадка на этапе удале-

ния капиллярно-насыщенной воды 1Жкн; адсорбционной и межслоевой Wам

£кк - усадка на этапе удаления капиллярно-конденсированной воды Wкк; £ам - усадка на этапе удаления

процент испаренной воды по массе. Показатели удельной усадки от удаления капиллярно-насыщенной и капиллярно-конденсированной воды могут отличаться на порядок в зависимости от состава и структуры материала. Воздействие адсорбционной и межслоевой воды на усадку по удельной ее величине на один-два порядка сильнее, чем капиллярно-насыщенной и капиллярно-конденсированной. На долю адсорбционно-связанной может приходиться более половины всей величины полной влажностной усадки материала.

В зависимости от сформировавшейся структуры бетона, в том числе ячеистого, обоснованно ввести [11] модели вероятного и фактического его деформирования при обезвоживании (модели влажностной усадки, рис. 2).

В соответствии с этим тип / кривых усадки присущ материалам со структурой, отличающейся повышенными величинами дисперсности частиц твердой фазы, суммарной площади их поверхности и запаса избыточной поверхностной энергии и одновременно с этим минимальными значениями размера пор. Именно это определяет максимальные значения величины усадки на всех этапах обезвоживания. Тип /// свойствен материалу со структурой, характеристики составляющих твердой фазы которой отличаются относительно большей мерой закристаллизованности, а запас избыточной поверхностной энергии структуры оказывается минимальным. Тип //характерен для материалов с промежуточными значениями характеристик структуры.

Существо управления показателями влажностной усадки материала состоит в изменении характера и силы связи его твердой фазы и порового пространства с водой. Снижение силы взаимодействия материала с водой и соответственно уровня удельных и полных усадочных напряжений при ее удалении из порового пространства, с поверхности твердой фазы, из межслоевых пространств кристаллов цементирующего вещества может достигаться посредством уменьшения относительного содержания в материале объема цементирующего вещества Уцв и пор Уп, увеличения в составе новообразова-

ний доли более закристаллизованных новообразований с пониженной удельной площадью поверхности и удельной поверхностной активностью ^цв, изменения функции распределения объема пор по размерам в сторону увеличения их среднего эффективного радиуса гэ и минимального содержания нанопор. Результативность такого модифицирования состава и структуры материала характеризуется возможностью кардинального (на полпорядка Т-порядок) снижения величины удельной и полной его усадки.

Влажностное деформирование ячеистых бетонов отражает физическую составляющую процессов деформирования, проявляющуюся в предположении и допущении отсутствия каких-либо существенных химических превращений в материале. Влажностное деформирование можно отнести к гигромеханике материала как части общей физико-химической механики проявления конструкционных и функциональных свойств. В этом контексте деформирование вследствие развития процессов карбонизации отражает химическую составляющую факторов изменения структуры материала в эксплуатационном цикле.

В рассмотрении механизма карбонизационных изменений материала следует прежде всего исходить из того, что реакции взаимодействия твердой фазы с углекислотой воздуха, развивающиеся с участием жидкой фазы, квалифицируются как гетерогенные реакции.

Говоря о гетерогенной реакции процесса карбонизации, необходимо иметь в виду его кинетическую и диффузионную составляющие. И это требует учета специфики поверхности твердой фазы — ее реакционной площади и реакционной активности единицы площади по отношению к СО2. Такая специфика определяется прежде всего минералогическим составом и морфологией новообразований цементирующего вещества.

Механизм действия химического реагента внешней среды (СО2) на материал идентифицируется в рамках макрокинетики физико-химических гетерогенных процессов (Дж. Астарита. Массопередача с химической реакцией / Пер. с англ. Л.: Химия, 1971. 224 с.;

О

О

О

О

Таблица 2

Система структурных и рецептурно-технологических факторов управления деформативными свойствами макропористого (ячеистого) бетона

Масштабный уровень структуры Макроуровень (структурный уровень бетона) Мезоуровень (структурный уровень микробетона) Микроуровень (структурный уровень цементирующего вещества)

Анализируемая система Макропористый бетон Микробетон Новообразования цементирующего вещества

Структурные составляющие Микробетон, макропоры, капиллярные микропоры, вода всех форм связи Зерна микронаполнителя остаточные зерна исходных компонентов, новообразования, капиллярнные микропоры, капиллярная, адсорбционная и межслоевая вода Скрытокристаллическая и кристаллическая морфологические разности, поры гелевые и кристаллического сростка, адсорбционная и межслоевая вода

Составляющие баланса внутренних сил в материале, определяющие его деформирование - напряжения при развитии гидратации и химической коррозии (от уменьшения объема системы твердения, от кристаллизационного давления); - напряжения температурные; - напряжения от сил, участвующих в связи твердой фазы и пор с газовой и жидкой фазами (сил капиллярного стяжения, расклинивающего давления, поверхностного натяжения, межчастичного взаимодействия, сил внутренних связей в кристаллогидратах); - напряжения от воздействия механической нагрузки; - напряжения от сил упругого противодействия составляющих твердой фазы ее деформированию

Параметры состава и структуры, определяющие возможное изменение баланса внутренних сил на соответствующих масштабных уровнях Соотношение объемов макропор и микробетона межпоровых перегородок, распределение по размерам макро- и микропор Соотношение объемов зерен микронаполнителя, микропор, остаточных исходных компонентов и частиц новообразований, распределение по размерам зерен микронаполнителя и микропор Состав новообразований, распределение по размерам частиц новообразований, их удельная поверхность; удельная поверхностная энергия новообразований

Рецептурно-технологические факторы управления составом и структурой Дозировка поризующей добавки, продолжительность перемешивания, соотношение вяжущего и наполнителя В/Т - дозировка и удельная поверхность зерен наполнителя Условия гидратации и твердения, вид и дозировка химических добавок

Д.А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. 491 с.). В соответствии с этим развитие процесса карбонизации отвечает существу внешней и внутренней задачи массопере-дачи. Внешней задачей массопередачи учитывается подвод СО2 к поверхности массива материала в конструкции. Условия этого определяются параметрами среды — парциальным давлением или концентрацией химического реагента р/рхр, температурой, а также техническими характеристиками поверхностных слоев конструкции. Внутренней задачей массопередачи отражается динамика переноса СО2 через массив материала (стадия макродиффузии), кинетика физико-химического взаимодействия реагента и материала с образованием слоя нового вещества (отработанного слоя) на поверхности твердой фазы. Развитие процесса внутренней массопередачи (внутренней диффузии с химической реакцией) может лимитироваться: внутренней макродиффузией, зависящей от общего объема пор Уи и дифференциальной пористости dVп/drп материала; кинетикой непосредственного взаимодействия реагента с цементирующим веществом материала на границе раздела твердая фаза — поровое пространство, что определяется минераломорфологическим составом и содержанием Сн, величиной площади поверхности цементирующего вещества и его сродством дцв по отношению к химическому реагенту (В.И. Бабушкин, Г.М. Матвеев, О.П. Мчедлов-Петросян. Термодинамика силикатов. М.: Стройиздат, 1986. 408 с.); диффу-

зией реагента к твердой фазе через появляющийся отработанный слой, т. е. внутренней микродиффузией.

Для скорости карбонизационных превращений материала dФ/dт при действии СО2 с учетом сказанного может быть принята следующая функциональная зависимость:

(Сн, 5ВД, дт), Гж,(Р/Рхр, Т)]. (3)

Эта зависимость комплексно и системно отражает в общем виде связь кинетики карбонизации с параметрами структуры материала.

Действие СО2 среды сопровождается глубокой химико-минералогической перестройкой цементирующего вещества материала, то есть его метаморфизмом, являющимся причиной сложных объемных изменений в материале. В этой связи обратим внимание на ряд активности (по химическому сродству) минералов цементирующего вещества по отношению к СО2. В направлении понижения активности этот ряд включает портлан-дит, высокоосновные, низкоосновные гидросиликаты кальция, тоберморит, гидрогранаты. Отметим также, что реакционная активность понижается с ростом закристаллизованности новообразований цементирующего вещества. Но во всех случаях продуктами карбонизации являются карбонаты кальция, гидрокарбосилика-ты, гидрокарбоалюминаты, гидрокарбоферриты кальция и гель кремнекислоты, которые претерпевают вторичные превращения, связанные с обезвоживанием, со-

я,(

Контактная Пленочная ! Поровая \ Базальная

цементация цементация цементация - цементация

/ ! ........................

А я^у /у ? \ 1 !

0

0,2

0,9

1,1

контактная цементация 0,1<Кизб<0,2 (объем матричного материала намного меньше объема межзерновых пустот; матричный материал присутствует только в точках контакта включений);

- пленочная цементация 0,2<Кизб<0,9 (объем матричного материала меньше объема межзерновых пустот; матричный материал образует пленку на поверхности включений);

- поровая цементация 0,9<Кизб<1,1 (объем матричного материала несколько превышает объем межзерновых пустот или равен ему);

- базальная цементация Кизб>1,1 (объем матричного материала значительно больше объема межзерновых пустот; включения плавают в матричном материале)

Рис. 3. Общий характер изменения прочности Як, деформативности £к и внутренних напряжений от непроявившейся усадки ак композита в связи с типом цементации его структуры

провождающимся дополнительной усадкой. В масштабе макрообъема материала реакция карбонизации развивается послойно, по нормали к поверхности контакта объема материала со средой. Отсюда динамика формирования градиента и скорость карбонизации оказываются закономерно связанными с пористостью и структурой пористости бетона.

Мера деформирования материала и деструкции АЛТ в связи с метаморфическими карбонизационными первичными и вторичными превращениями его структуры полагается и оказывается зависящей от степени фазовых превращений (степени карбонизации), величины градиента и скорости проявления градиента превращений по характеристическому размеру 1с строительной конструкции:

ДДт=/(</Ф/</т; [¡Ф/сИ,

йФ/<к

(4)

Изложенные соображения определяют необходимость анализа и учета основных закономерностей кинетики и степени метаморфизма, меры изменения строительно-технических показателей материала в условиях действия химического реагента в зависимости: первое — от состояния цементирующего вещества при постоянном значении общей пористости материала; второе — от пористости при постоянном исходном содержании, составе и структуре цементирующего вещества; третье — от режима подвода химического реагента к поверхности конструкции.

Отметим, что существенным при работе материала в реальной среде оказывается не только мера возможного изменения его состояния при действии факторов среды, но и градиентный характер протекания процессов и такого изменения в конструкции. С формированием градиентного поля температуры, влажности, фазовых превращений материала, а именно со скоростью развития и величиной градиентов непосредственно связаны параметры напряженно-деформированного его состояния, интенсивность и мера накопления повреждений в нем [12]. Поэтому учет градиентного характера развития процессов изменения структуры в открытой системе представляется особенно важным с

точки зрения понимания условий управления стабильностью свойств ячеистых (макропористых) бетонов при эксплуатации.

Анализ механизма и причин объемных деформаций материала при изменении его влажностного состояния и карбонизации позволяет обозначить, как следствие, систему структурных и соответственно рецептурно-технологических факторов управления деформативны-ми характеристиками (табл. 2). Важно учитывать, что при деформировании структурированной системы твердого тела определенные элементы его структуры являются «носителями» деформаций, а другие выполняют функции «противоусадочных» составляющих.

Носителем деформаций в бетоне выступает матричный материал и прежде всего его цементирующее вещество (система частиц новообразований с соответствующими микропорами). При этом деформативность матрицы определяется объемным соотношением минералогически и морфологически различных составляющих новообразований, которое зависит от динамики их накопления и преобразования в структуре бетона. Данной трактовке отвечает предлагаемый нами интегральный показатель Кзс, связанный с эволюцией структуры материала в технологическом цикле (рис. 3) и отражающий достигнутые на момент его получения пределы показателей состояния структуры по количественным и качественным характеристикам цементирующего вещества:

1

К

Сн ПВ ОСН, I

1

К

Сн ^ЦВ ОСН.1

(5)

пред

где — площадь поверхности частиц новообразований цементирующего вещества; дцв — удельная поверхностная энергия новообразований цементирующего вещества; Сн — содержание новообразований цементирующего вещества; Ккн.цв — коэффициент основности новообразований цементирующего вещества.

Деформации материала в условиях действия эксплуатационной среды могут быть соотнесены с введенным интегральным показателем структуры Кзс:

Хетэ = В • К0

(6)

где В — коэффициент пропорциональности для конкретного материала; 0 — постоянная, характеризующая кинетику изменения деформационного состояния материала.

Соответственно этому может быть экспериментально найдена оптимальная величина Кзс, обеспечивающая минимизацию влажностной и карбонизационной усадки, что достигается посредством назначения рациональных параметров технологии.

В качестве противоусадочного каркаса в структуре бетона выступают зерна наполнителя, эффективность противодействия которых развитию деформаций и тре-щинообразованию зависит главным образом от их объемной доли, что определяет соотношение матричной и наполняющей составляющих (включений) в структуре, то есть тип получаемой цементации. Количественно данное соотношение характеризуется коэффициентом избытка объема матричного материала Ум по отношению к межзерновому объему Умз в системе сложения частиц включений:

Кизб К/ ^мз.

(7)

Специально отметим двойственную роль противо-усадочного каркаса, которая состоит в том, что про-

£

£

м

я

м

научно-технический и производственный журнал Ш^ЯУЙ

110 январь/февраль 2014 ~ Л1] ®

тиводействие каркаса развитию объемных изменений одновременно приводит к росту внутренних напряжений от непроявившейся усадки матрицы.

В конгломератной структуре межпоровых перегородок макропористых бетонов существует оптимум соотношения их составляющих по критерию прочности Rк, деформативности £к и величине внутренних усадочных напряжений в матрице ок (рис. 3).

Безусловно, типом цементации закладывается конструкционный потенциал бетона, его деформативность, определяемые балансом сил структурных связей и усадочных напряжений. И это является одним из определяющих сущностных моментов технологического «структурного влияния» на характеристики физико-механического деформирования, реологические и прочностные свойства получаемого бетона.

Таким образом, в общей постановке, регулирование баланса сил и управление величиной возможной эксплуатационной усадки материала (влажностной и карбонизационной) достигаются посредством изменения количественных и качественных характеристик состава и композиционной структуры согласно общей зависимости:

ХеТЯ А

V +V

'ц.в 1 'пор

ТВ. ф

г ■ а

Э "п

ТВ. ф,

(8)

где А — коэффициент пропорциональности для конкретного материала; Уцв — объем цементирующего вещества; Упор — объем пор; Узап — объем зерен наполнителя; ^Гв.ф — площадь поверхности частиц твердой фазы; ?тв.ф — удельная поверхностная энергия твердой фазы; гэ — средний эквивалентный радиус пор; а, Ь, с, d — показатели степени (меры) влияния определяющих параметров структуры материала на его влажностную и карбонизационную усадку.

Эффективность такого управляющего воздействия за счет оптимизации данных характеристик показана в [12—17] по силикатным и цементным ячеистым бетонам и характеризуется возможностью изменения величины деформаций материала в 3—4 раза. Это позволяет в производственных условиях обеспечить получение макропористых бетонов с величиной эксплуатационных деформаций не более 0,2—0,3 мм/м для автоклавного силикатного ячеистого бетона и не более 1 мм/м для цементного поризованного бетона естественного твердения.

Список литературы

1. Рахимбаев Ш.М., Дегтев И.А., Тарасенко В.Н., Ани-канова Т.В. К вопросу снижения усадочных деформаций изделий из пенобетона // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 12. С. 41—44.

2. Шахова Л.Д., Самборский С.А., Палалане Ж.А. Причины деформационных усадок пенобетонов // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 84—86.

3. Шинкевич Е.С. Трещиностойкость и деформатив-ность комплексно-активированных известково-кремнеземистых композитов // Современное промышленное и гражданское строительство. 2011. Т. 7. № 4. С. 205-213.

4. Синица М.С., Сеземан Г.В., Чеснаускас В. Влияние влагосодержания автоклавного ячеистого бетона на его эксплуатационные свойства // Строительные материалы. 2005. № 12. С. 52-55.

5. Курзанов А.Д., Голубев В.А. Долговечность автоклавного ячеистого бетона и способы ее повышения // Master's Journal. 2013. № 1. С. 183-191.

6. Павленко Н.В., Череватова А.В., Строкова В.В. Особенности получения рациональной поровой структуры пенобетона на основе наноструктуриро-ванного вяжущего // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 32-34.

7. Кузнецова T.B., Френкель Д.Я., Кривобородов Ю.Р. Модифицирование портландцемента для устранения усадки бетона // Цемент и его применение. 2007. № 4. С. 54-55.

8. Фаликман В.Р., Сорокин Ю.В., Вайнер А.Я., Башлыков Н.Ф. Гидроксилсодержащие органические расширяющие добавки для снижения деформаций усадки бетона // Строительные материалы. 2005. № 8. С. 9-12.

9. Жуков А.Д., Чугунков А.В., Химич А.О. Неавтоклавный малоусадочный ячеистый бетон для монолитных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 3. С. 21-22.

10. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. Влажностное состояние и закономерности проявления конструкционных свойств строительных материалов при эксплуатации // Academia. Архитектура и строительство. № 4. 2007. С. 70-77.

11. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. Физико-химическая природа взаимосвязи свойств строительных материалов с их влажностным состоянием // Academia. Архитектура и строительство. 2008. № 1. С. 87-92.

References

1. Rakhimbaev Sh.M., Degtev I.A., Tarasenko V.N., Anikanova T.V. To question of decrease in shrinkable deformations of products from foam concrete. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2007. No. 12. Pp. 41-44 (in Russian).

2. Shakhova L.D., Samborskii S.A., Palalane Zh.A. Reasons of deformation shrinkages of foam concrete . Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010. No. 3. Pp. 84-86 (in Russian).

3. Shinkevich E.S. Crack resistance and deformativnost complex the activated limy and silicic composites. Sovremennoe promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2011. Vol. 7. No. 4. Pp. 205-213.

4. Sinitsa M.S., Sezeman G.V., Chesnauskas V. Influence of moisture content of autoclave cellular concrete on its operational properties. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2005. No. 12. Pp. 52-55 (in Russian).

5. Kurzanov A.D., Golubev V.A. Durability of autoclave cellular concrete and ways of its increase. Master's Journal. 2013. No. 1. Pp. 183-191.

6. Pavlenko N.V., Cherevatova A.V., Strokova V.V. Features of receiving rational steam structure of foam concrete on the basis of the nanostructured knitting. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2009. No. 10. Pp. 32-34 (in Russian).

7. Kuznetsova T.B., Frenkel' D.Ia., Krivoborodov Iu.R. Portlandtsement modifying for elimination of shrinkage of concrete. Tsement i ego primenenie. 2007. No. 4. Pp. 54-55 (in Russian).

8. Falikman V.R., Sorokin Iu.V., Vainer A.Ia., Bashlykov N.F. Gidroksilsoderzhashchy organic expanding additives for decrease in deformations of shrinkage of concrete. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2005. No. 8. Pp. 9-12 (in Russian).

9. Zhukov A.D., Chugunkov A.V., Khimich A.O. Not auto -clave low-shrinkable cellular concrete for monolithic designs. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 3. Pp. 21-22 (in Russian).

10. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S. Moist state and regularities of manifestation of constructional properties of construction materials at operation. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2007. No. 4. Pp. 70-77 (in Russian).

11. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S. The physical and chemical nature of interrelation of properties of construc-

rj научно-технический и производственный журнал

jV¡ ® январь/февраль 2014 TTT

12. Чернышов Е.М., Власов В.В., Баутина Е.И. Прогнозирование полного и остаточного ресурсов ограждающих конструкций из ячеистого бетона. Ростов-на-Дону: Ростовский государственный строительный университет, 2007. 121 с.

13. Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Потамошнева Н.Д., Макеев А.И. Поризованные бетоны для теплоэф-фективных жилых домов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2002. № 5. С. 22—24.

14. Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Потамошнева Н.Д., Макеев А.И. Поризованные бетоны для теплоэф-фективных жилых домов (часть 2) // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2003. № 9. С. 32-38.

15. Славчева Г.С., Новиков М.В., Чернышов Е.М. Оценка деформативных свойств поризованных бетонов при длительном действии нагрузки // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт. 2007. № 3-15. С. 136-141.

16. Славчева Г.С. Эксплуатационная деформируемость и гигрометрические характеристики цементных по-ризованных бетонов как функция их структуры // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2008. № 1. С. 79.

17. Чернышов Е.М., Федин А.А., Потамошнева Н.Д., Кухтин Ю.А. Газосиликат: современная гибкая технология материала и изделий // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 4-10.

tion materials with their moist state. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2008. No. 1. Pp. 87-92 (in Russian).

12. E. M. Chernyshov, V. V. Vlasov, E. I. Bautina. Prognozirovaniepolnogo i ostatochnogo resursov ograzhdai-ushchikh konstruktsii iz iacheistogo betona [Forecasting of full and residual resources of protecting designs from cellular concrete]. Rostov-na-Donu. 2007. 121 p. (in Russian).

13. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S., Potamoshneva N.D., Makeev A.I. Poros concrete for heateffective houses. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2002. No. 5. Pp. 22-24 (in Russian).

14. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S., Potamoshneva N.D., Makeev A.I. Poros concrete for heateffective houses (part 2). Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2003. No. 9. Pp. 32-38 (in Russian).

15. Slavcheva G.S., Novikov M.V., Chernyshov E.M. Assessment the deformativnykh of properties the porizovannykh of concrete at long action of loading. Izvestiia Orlovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta. Seriia: Stroitel'stvo i transport. 2007. No. 3-15. Pp. 136-141 (in Russian).

16. Slavcheva G.S. Operational deformability and hygromet-ric characteristics cement porizovannykh of concrete as function oftheir structure. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2008. No. 1. P. 79 (in Russian).

17. Chernyshov E.M., Fedin A.A., Potamoshneva N.D., Kukhtin Iu.A. Silicate: modern flexible technology of a material and products. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 4. Pp. 4-10 (in Russian).

Министерство архитектуры и строительства РБ ИШИШИ Союз строителей РБ, Институт НИИСМ, Институт БелНИИС

Д ДД| журнал «Архитектура и строительство»

ячеистый НПООО «Стринко»

БЕТОН

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: bsr@telecom . by www . ais . by