CC BY
38
Влияние внутренних и внешних факторов на влажностную усадку цементных систем.
П.Г.Комохов, А.М.Харитонов
Задача интенсификации развития инновационных технологий в строительной индустрии обуславливает необходимость представления физико-механических свойств композиционных материалов в виде математических зависимостей от их внутреннего строения и внешних воздействий в заданных условиях эксплуатации. Наибольшую сложность с позиции математического выражения представляют цементные композиты. Описание подобных сложноструктурированных систем должно предусматривать отражение распределения в объеме, взаимной ориентации и сопряжения структурообразующих элементов, а также учет их совместной работы на различных уровнях.
Авторами разработаны структурно-имитационные модели, отражающие как сложное многоуровневое строение цементных композиций, так и физико-механические характеристики индивидуальных фаз. Адекватность моделей в отношении воспроизведения основных механических свойств цементных систем подтверждена высокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных, что позволяет рассматривать их как эффективный инструмент для поиска наиболее рациональных математически обоснованных решений [1-5].
Сущность структурно-имитационного моделирования заключается в воспроизведении с помощью уравнений математической физики и теории упругости явно учитываемых параметров, определенных в ходе предварительных структурных исследований, способствующих более реалистичному отражению строения материала и возможности получения откликов системы на внешние и внутренние воздействия.
Знание того, какой вклад вносит отдельная фаза на макросвойства материала при вариации различных технологических факторов, дает новое понимание результатов экспериментальных исследований, выполненных ранее различными авторами, и позволяет объяснить связь в системе структура-свойства.
На рисунке 1 представлен пример иерархически выстроенной модели крупнозернистого цементного бетона, которая включает структурные уровни и отдельные масштабные приближения, необходимые для явного учета характерных неоднородностей структуры. Применительно к данной модели разработана методика моделирования механизма влажностной усадки (капиллярного давления и деформаций при изменении свободной поверхностной энергии) в зависимости от относительной влажности [2].
Для определения направлений изменения структуры цементных композиций с целью обеспечения требуемого уровня усадочных деформаций необходимо установить характер и степень влияния на процесс усадки отдельных структурных уровней материала.
На рисунке 2 в графическом виде отражены деформации влажностной усадки (при относительной влажности ф = 0,05) цементного бетона исследован-
ных составов (табл. 1) на различных структурных и масштабных уровнях.
Установлено, что фактически усадка в основном зависит от величины удельной поверхности цементного геля (фазы С-Б-Н). Структурные уровни более крупного масштаба насыщены порами, которые в силу относительно больших размеров вносят минимальный вклад во влажностную усадку как за счет капиллярного давления, так и за счет деформации от изменения свободной поверхностной энергии (не более 6,5 10-3 мм/м). Кроме того, эти уровни содержат структурные элементы, не участвующие в изменении объема материала.
На уровне цементного камня усадочные деформации снижаются практически линейно из-за наличия равномерного распределения безусадочных компонентов структуры в трех рассматриваемых масштабных приближениях. Причем снижение деформаций системы относительно деформаций цементного геля составляет 1,7-2,0 раза.
Изменение объема растворной части бетона в результате усадки наиболее значительно для масштабного приближения, учитывающего зерна заполнителя размером от 0,1 до 0,5 мм (№6 на рис. 2). В применяемом для исследований песке эти зерна составляли до 70%. Более крупные фракции песка в значительно меньшей степени уменьшают усадку в
Рис. 1. Многоуровневая модель цементного бетона
Таблица 1
Физико-механические свойства образцов бетона
Серия образцов Срединл платность, цг/м Общая пористости % Объем условно' замкнутых пор', "Si Класс Бетона Предел прочности при сжатии, МПа Начальный модуль упругости, гпа
Б1 до 0,8 В5Ф
Б2 2J&8 as В40 30.5
бз 2ЭД7 13.Ш 2.5 вэо 23v4
Е4 2310 13.20 w ш 2&1 23,7
Ё5" 2 353 9,90 0,9 B4Ü ÍX0 3Ü.9
объем условно-замкнутых пор включает поры диапазона размеров 1,7-5 мм ' твердение в условиях тепловлажностной обработки
связи с их малым количеством. В целом усадочные деформации цементно-песчаных систем в сравнении с цементным камнем снижаются в 2,5-4 раза.
При рассмотрении бетона на макроскопическом уровне крупный заполнитель способствует еще большему снижению деформаций усадки - в 2 раза по отношению к цементно-пес-чаной системе. При этом наименьшей величиной усадки отличается бетон, подвергнутый тепловлажностной обработке.
Таким образом, влажностная усадка отдельных цементных композиционных структур различна. Она имеет максимум, составляющий около 2 мм/м для фазы С-Б-Н. Для других структурных уровней этот максимум не может быть достигнут из-за присутствия в системе фаз, не подверженных усадке.
Величина усадочных деформаций за счет осушения пор, имеющих место на уровне цементного камня и более крупных масштабных уровнях, практически близка к нулю. Т.е. влажностная усадка может рассматриваться в зависимости от двух основных факторов - количества цементного геля в системе и жесткости последующих структурных уровней.
Количество геля в системе косвенно характеризует упругие свойства цементных композиций и, соответственно,
Рис. 2. Усадочные деформации во взаимосвязи с уровнями структуры
величину влажностной усадки. Объем порового пространства также существенно влияет на жесткость материала. Как следует из рисунка 3, существует тесная взаимосвязь между долей геля в составе цементных систем и усадочными деформациями, которая может быть аппроксимирована уравнением прямой линии.
С учетом вышеизложенного представляется возможность выразить влажностную усадку бетона, исходя из доли фазы С-Б-Н в его структуре. Несколько модифицировав известную формулу Т.К.Пауэрса, относящуюся к пористости цементного геля [6], можно получить выражение, определяющее ориентировочный объем фазы С-Б-Н в единице объема цементного камня из расчета того, что пористость геля составляет 36%:
V, =
0,513-а-рч 1+РЧ- В / Ц '
(1)
где а - степень гидратации цемента; рц - плотность цемента, г/см3.
Объемное содержание цементного камня в бетоне С выражается в долях от объема смеси посредством уравнения:
С=-
Ц
1000
1 Рц
Ц
V4A
(2)
где
В
Ц)и
истинное водоцементное отношение, при ко-
тором бетонная смесь будет иметь ту же подвижность, что и цементное тесто.
Ц - расход цемента, кг/м3.
Объединяя выражения (1) и (2), получим уравнение, определяющее долю цементного геля й в композиции в следующем виде:
С
............(3)
Вид зависимостей усадки от содержания фазы С-Б-Н при различных уровнях влажности имеет сходный характер: отличие заключается лишь значениях коэффициентов регрессионных уравнений (рис. 3). Причем существует тесная связь между коэффициентами, которую также можно выразить по-
D = — 100. V,
96 2 2009
средством регрессионных уравнений. Ориентировочная величина влажностной усадки и цементных систем может быть определена по выражению:
и = (2,015-(Я / Я0)2 - 0.1 -(Я / Я0) + 0.12) • 0 -
-(0.034-(Я / Я0)2 - 0.02 • (Я / Я0) + 0.002) (4)
где Я/Я0 - относительная влажность фазы пара (газа).
Более точное значение усадки может быть найдено по номограмме, отражающей зависимость влажностных деформаций от доли геля в составе цементных систем, а также уровня относительной влажности среды (рис. 4).
Таким образом, предложенный метод численного моделирования позволил количественно оценить степень подверженности различных цементных композиций деформа-
Рис. 3. Зависимость усадки цементных композиций от содержания геля при влажности: 1 - ф = 0,05; 2 - ф = 0,6
Рис. 4. Номограмма для определения величины влажностной усадки
циям влажностной усадки. Установлено, что влияние структурных параметров на усадку можно выразить через объемную долю цементного геля, являющегося определяющим фактором изменения объема систем. Выражение данного влияния в функциональном виде и в форме номограмм позволяет определить усадочные деформации на стадии проектирования составов композиций.
Предлагаемый метод предоставляет возможность непосредственно связать структуру и свойства композиционного материала, что составляет одну из фундаментальных задач строительного материаловедения.
Литература
1. Комохов П.Г.,Харитонов А.М. Имитационно-численная модель структуры и свойств цементного камня // Известия вузов. Строительство. 2008, №4 (592), с. 10-16.
2. Комохов П.Г., Харитонов А.М. Структура и свойства цементного камня с позиции компьютерного материаловедения // Academia. Архитектура и строительство. 2007, №4, с. 63-66.
3. Харитонов А.М. Экспериментальное обоснование численных моделей структуры и свойств цементного камня // Academia. Архитектура и строительство. 2008, №1, с. 100-103.
4. Харитонов А.М. Исследование свойств цементных систем методом структурно-имитационного моделирования // Строительные материалы. 2008, №9, с. 81-83.
5. Комохов П.Г., Харитонов А.М. Вероятностный аспект численного моделирования цементных систем // Строительные материалы. 2008, №10, с. 11-12.
6. Пауэрс Т.К. Физическая структура портладце-ментного теста. - В кн.: Химия цемента. Под ред. Х.Ф.У. Тейлора. М., 1969.
Influence of Internal аnd External Factors оn the dry Shrinkage of the Cement Systems. By P.G.Komokhov, A.M.Kharitonov
This article is devoted to quantitative estimation of the structural parameter influence on the quantity of dry shrinkages cement materials by structural simulation modelling, that consists of presentation of distribution in volume, mutual orientation and interfacing of separate components of structure, and their collaboration at different levels using the numerical methods. This approach allows directly link the structure and properties of the composite material that presents one of the fundamental problems of science of materials.
