CC BY
748
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 г. Выпуск 2 (25). С. 34-36
УДК 691.322
ВЛИЯНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЧАСТИЦ РЕЧНОГО ПЕСКА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА
А. Ф. Косач, М. А. Ращупкина, Н. А. Гутарева, А. В. Обадьянов
Один из самых энергоёмких, материалоёмких и распространённых технологических процессов в наше время - измельчение твёрдых материалов. Его осуществляют механическим разрушением крупных фрагментов ударным и/или сдавливающим действием в аппаратах различных конструкций, назначения, мощности и производительности. Тонкозерни-стость материала - это не только отказ от сравнительно крупного заполнителя. Это, в первую очередь, тонкозернистость структуры бетона [1]. Чем меньше зёрна новообразований и размеры пор между ними, тем выше прочность бетона даже при одном и том же водоцементном отношении. Повышение тонкости помола цемента и специальные мероприятия, обеспечивающие диспергацию частиц и пор, способствуют получению высококачественной тонкозернистой структуры.
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.
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 проявляется в виде внутренних сил дисперсной или дисперсно-зернистой системы.
При получении тонкозернистых бетонов важную роль играет максимальная упаковка зёрен песка, 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:
5 *. у ’ ч
где 5Ч - поверхность частицы, Уч - её объём.
Удельная поверхность песка изменяется от 19,8 до 158,4 см2/г, а пустотность в уплотнённом состоянии от 28,7 до 37,7 % [2].
Рост удельной поверхности Б увеличивает количество атомов в поверхностном слое с нескомпенсированными с одной стороны электронными связями, а также количество атомов в приповерхностных слоях с частично нескомпенсированными 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 речного песка (Ц), которая складывается из энергии Гиббса (единицы поверхности) и скрытой теплоты образования единицы новой поверхности:
Цр - а + др - Ор + Т ■ Бр ;
где а - удельная свободная поверхностная энергия, а —----; р - площадь поверхности; ир
ёр
- энергия Гиббса единицы поверхности; цр - скрытая теплота образования единицы новой
поверхности, цр — Т ■ Бр ; Бр - избыточная энтропия единицы поверхности; Т- температура [3].
В качестве заполнителя мелкозернистого бетона использовались речные пески Сурей-Юганского месторождения со следующими характеристиками:
• по гранулометрическому составу песок относится к группе средних песков, модуль крупности 2,05;
• истинная плотность - 2,62 г/см3;
• насыпная плотность - 1,57 г/см3;
• содержание пылевидных и глинистых частиц - 0,84 %.
Пески подвергались тонкому сухому помолу в вибромельнице до удельной поверхности 1500.. .2000 см2/г, что соответствует среднему размеру зерна около 8-10 мкм.
При измельчении песка в вибромельнице 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 измельче-
нии в различных помольных агрегатах.
Механоактивация речного песка даёт:
• образование активных центров на свежеобразованной поверхности;
• изменение реакционной способности;
• изменение внутренней энергии за счёт дефектов структуры превышает прирост поверхностной энергии речного песка в несколько раз, повышается химическая активность песка при нормальных условиях;
• изменение свободной энергии речного песка вследствие механохимической активации обусловлено изменением суммы поверхностной и внутренней энергии;
• на поверхности твёрдого тела формируется поверхностный слой, в котором концентрируется «избыточная» энергия;
• на месте выхода дислокаций на поверхности кристаллов механоактивированных полупродуктов идёт закрепление зародышей новообразований продуктов гидратации цемента;
• значительно повышается структурообразующая роль песка и наполнителей.
На основе вяжущей композиции были изготовлены образцы бетона. Отформованные до одного и того же объёмного веса образцы при большей удельной поверхности песка обладают большей прочностью.
Изготовленные образцы подвергались 8-ми часовой тепловлажностной обработке в пропарочной камере при 85...90°С. Избыток свободной поверхностной энергии тонкомолотого механоактивированного речного песка обусловливает его высокую реакционную способность уже при низких температурах (до 90°С).
При разработке составов мелкозернистого бетона учёт факторов дисперсности, удельной поверхности и времени помола заполнителя позволил получить:
• мелкозернистый бетон для гидроизоляционных работ с высокими показателями водоудерживающей способности (<5 %), низкой расслаиваемостью (7 %);
• изделия для тротуарных плит с высокими показателями основных свойств: прочности при сжатии (В50), плотности (2300 кг/м3), истираемости (0,5 г/см2), морозостойкости (Б400).
ЛИТЕРАТУРА
1. Баженов, Ю. М. Новые эффективные бетоны и технологии [Текст] / Ю. М. Баженов // Промышленное и гражданское строительство. - 2001. - № 9. - С. 15-18.
2. Хозин, В. Г. Оптимизация гранулометрического состава песка для получения высокопрочного тонкозернистого бетона [Текст] / В. Г. Хозин, Н. М. Морозов, И. В. Боровских // Известия КазГАСУ. - 2008. - № 2 (10). - С. 121-124.
3. Лотов, В. А. Нанодисперсные системы в технологии строительных материалов и изделий [Текст] / В. А. Лотов // Известия Томского политехнического университета. - 2007. -№ 3. - С. 84-88.
4. Гусев, Б. В. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства [Текст] / Б. В. Гусев, В. И. Кондращенко, Б. П. Маслов, А. С. Файвусович ; под ред. Гусева Б. В. - М. : Научный мир, 2006. - 560 с., илл.
